美國能源部（DOE）勞倫斯伯克力國家實驗室（Berkeley Lab）和加州大學(xué)的科學(xué)家們研究了活細(xì)胞對化學(xué)信息的處理和應(yīng)答，并且取得了重大的突破。他們揭開了Ras蛋白家族激活的秘密機(jī)制，并將這一成果發(fā)表在本期的Science雜志上。Ras蛋白是細(xì)胞信號傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)中最重要的一員，與許多難以治療的癌癥有關(guān)。

“Ras是一類膜錨定蛋白，它的激活是細(xì)胞信號傳導(dǎo)的關(guān)鍵一步。然而，我們對Ras的了解基本上是源于批量性分析（bulk assay），缺乏單分子水平上的信息，”文章的通訊作者Jay Groves說。“為此我們開發(fā)了一種特殊芯片，在膜環(huán)境中對Ras激活進(jìn)行單分子研究，發(fā)現(xiàn)了SOS（Son of Sevenless）蛋白激活Ras的新機(jī)制。”

活細(xì)胞的信號傳遞網(wǎng)絡(luò)始于細(xì)胞表面的蛋白受體，這些受體負(fù)責(zé)與環(huán)境互作并檢測外界信號。隨后信號被傳遞到細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)網(wǎng)絡(luò)，指導(dǎo)相應(yīng)的細(xì)胞活動。

Ras激活之謎Ras蛋白是信號傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的必要組分，參與了細(xì)胞生存、增殖和分化的調(diào)控。Ras基因中的突變是首先與人類癌癥關(guān)聯(lián)起來的遺傳變異，據(jù)估計大約三分之一的人類癌癥與Ras故障有關(guān)。Ras缺陷也和糖尿病、免疫疾病、炎癥等其他疾病有關(guān)。人們普遍認(rèn)為很難開發(fā)出針對Ras的藥物，這很大程度上是因為Ras的激活機(jī)制一直是個謎。

理解Ras激活的一大障礙是，細(xì)胞膜可能也在這一過程中起到了重要作用。人們認(rèn)為這是一種通過蛋白-膜互作實現(xiàn)的別構(gòu)調(diào)節(jié)，當(dāng)然這只是推論并沒有直接的觀察證據(jù)。要更好的理解SOS激活Ras的具體機(jī)制，科學(xué)家們就需要在膜環(huán)境中觀察單個SOS分子與Ras的相互作用。

為此，Groves及其同事構(gòu)建了特殊的脂質(zhì)層（嵌有固定模式的金屬鈉米結(jié)構(gòu)），并將組裝成為芯片（supported membrane array）。這些金屬結(jié)構(gòu)允許蛋白和其它分子以可控的間隔定位在膜上。將這種芯片作為分析平臺，可以實時觀察單個分子在膜環(huán)境中的活動。

“我們可以分析每個分子對整體的貢獻(xiàn)，監(jiān)控單個分子的動態(tài)改變，而平均化的研究會喪失這類信息。”Groves說。

研究人員發(fā)現(xiàn)，SOS能在不同的活性狀態(tài)之間隨機(jī)波動，這種波動可以持續(xù)大約100秒。這些長時間波動形成了SOS別構(gòu)調(diào)控和Ras激活的基礎(chǔ)。

文章總結(jié)道，隨機(jī)動態(tài)波動是Ras蛋白的信號傳導(dǎo)機(jī)制，理解這一點將幫助人們開發(fā)出治療Ras相關(guān)疾病的新途徑。作者們相信，動態(tài)波動機(jī)制并不是Ras蛋白的專利，應(yīng)該對許多其它的信號傳導(dǎo)蛋白也同樣適用。

“此前人們之所以未能發(fā)現(xiàn)這種機(jī)制，是因為大多數(shù)研究都是基于平均行為。我們通過單分子檢測發(fā)現(xiàn)的這種機(jī)制，對于活細(xì)胞的信號傳導(dǎo)功能非常重要”Groves說。