揭密細胞的雙層開關機制　清華大學研究登國際期刊《PNAS》

細胞內的鈣離子會引發人體各種生理反應，但細胞如何精準控制鈣離子濃度，避免流量過多或不足？清華大學化學系教授江昀緯研究團隊發現，細胞膜上的鈣離子通道並非只有「開」與「關」，而是由兩個奈米尺度的分子扣環控制──一個決定通道何時開啟，另一個控制鈣離子流量。研究成果近期刊登於國際期刊《美國國家科學院院刊》（PNAS）。

江昀緯說明，鈣離子在細胞內負責傳遞訊號，攸關細胞的壓力反應、生長及存活，濃度稍有變化就可能引發一連串生理反應。因此，鈣離子通道如同水庫閘門，不僅要控制何時開啟，也須調節流量，維持細胞正常運作。

江昀緯團隊發現，當細胞環境變酸，蛋白質內的正、負電荷吸引力會變弱，使如同分子扣環的「鹽橋」鬆開，讓鈣離子得以通過。這是史上首次有研究團隊發現兩組鹽橋如何分工，並將蛋白質送入活細胞膜中，驗證這套機制確實能在細胞環境中運作。


談到如何選擇研究目標，江昀緯表示，人類細胞內共有6種「TMBIM」家族膜蛋白，至今仍無人能破解它的結構。因此，團隊選擇與它有演化親緣關係的枯草桿菌膜蛋白「BsYetJ」作為研究模型。2020年團隊發現BsYetJ膜蛋白在細胞膜中運作時的形狀，與脫離細胞膜環境後觀察到的晶體結構有所不同；如今再耗時近6年，找出控制BsYetJ膜蛋白的兩組關鍵鹽橋。

為證明兩個扣環的功能確實不同，團隊自行從電路板開始搭建「單分子通道電流實驗」量測系統，捕捉鈣離子通過BsYetJ膜蛋白時產生的微小電流。江昀緯表示，由於訊號極小，有時連續實驗十天，只有一天能取得可用數據。接著，團隊運用清華特有的雙電子共振（DEER）技術，如同拿著一把「奈米級量尺」，測量蛋白質內部的距離變化，並搭配電腦模擬，重建通道開啟與關閉時的立體結構。

最後，團隊透過自行建立的「奈米圓盤遞送」方法，將BsYetJ膜蛋白送入活細胞膜，再以螢光影像觀察細胞內鈣離子濃度變化，證實人工膜中發現的雙扣環機制也能在細胞環境中運作。未來這項技術可用來研究更多難以在活細胞中觀察的膜蛋白，並觀察藥物或蛋白質變化如何影響細胞運作。


江昀緯強調，目前研究對象仍是細菌蛋白，尚不能直接推論人類TMBIM蛋白也使用完全相同的機制。但研究揭示的分層式靜電調控原理，能成為科學界理解人類相關蛋白的重要基礎。