生命學院陳春來課題組建立一種基于熒光蛋白熒光壽命的檢測方法
清華新聞網4月3日電 在神經退行性疾病研究領域，科學家發現多種致病蛋白能夠通過液液相分離機制形成動態的液態凝聚體。這些生物分子凝聚體會隨著時間推移經歷液-固相變過程，最終轉化為病理性的固態聚集體。當前研究中廣泛采用的FRAP（熒光漂白恢復）技術雖然能夠有效評估液態凝聚體的流動性特征，但無法對流動性進行非破壞性的實時動態表征和可視化追蹤，這一技術瓶頸在相關研究中普遍存在，亟待新型檢測方法的突破。
3月31日，清華大學生命學院陳春來課題組在《物理化學快報》（The Journal of Physical Chemistry Letters）發表題為“利用熒光蛋白的熒光壽命探究FUS凝聚體的形成及液-固相變”（Probing the Formation and Liquid-to-Solid Transition of FUS Condensates via the Lifetimes of Fluorescent Proteins）的研究論文，成功建立了一種基于熒光蛋白熒光壽命的檢測方法，實現了對FUS凝聚體從液態轉變為固態過程中內部流動性的實時動態表征。
熒光壽命為熒光分子在激發態的停留時間。因其對分子微環境的高度敏感性，且不受熒光強度波動或光漂白效應干擾的特性，為生物分子凝聚體的動態研究提供了新思路。研究人員創新性地提出利用FLIM（熒光壽命顯微成像）技術表征蛋白質凝聚體內部流動性的研究策略。
研究人員通過GFP標記技術追蹤FUS蛋白的相變過程，可以觀察到隨著蛋白凝聚體從液態向固態轉變，GFP熒光壽命呈現明顯的漸進式下降。該研究揭示了一個重要的分子特征：蛋白凝聚體流動性的變化可以通過熒光壽命這一指標進行精確監測。研究團隊特別關注了FUS突變體G156E形成的獨特“星爆”結構。通過FLIM成像分析發現，該結構的中心區域與外圍纖維區域展現出截然不同的熒光壽命特征（圖1）。后續結合透射電子顯微鏡和偏振光顯微鏡的聯合分析證實，熒光壽命的差異很可能反映了兩個區域在分子結構排列上的區別。
圖1.GFP標記的FUS-G156E形成的凝聚體流動性（A）和GFP熒光壽命（B和C）隨液-固相變降低
隨后，研究人員系統性地評估了多種實驗室常用熒光蛋白在液液相分離和液-固相變過程中的熒光壽命特性，為相關研究提供了重要的工具選擇依據。研究人員還進一步評估了mEYFP中調節熒光壽命敏感度的關鍵氨基酸殘基，獲得了靈敏度較原始版本顯著提升mEYFP的突變體（圖2）。
圖2.mEYFP突變體示意圖（A）及其在液-固相變過程中的熒光壽命（B）
通過結合藍光誘導相分離的optoDroplet系統，研究人員在活細胞內實現了對FUS蛋白凝聚體液-固相變過程的實時監測，驗證了該技術在活細胞中的適用性。該研究為深入理解神經退行性疾病中蛋白質異常聚集的分子機制提供了強有力的研究工具（圖3）。
圖3.mCherry熒光壽命隨optoFUS顆粒從液態轉變為固態逐步降低
清華大學生命學院副教授陳春來與清華大學細胞影像平臺主管王文娟工程師為論文共同通訊作者。清華大學生命學院2018級博士生季瑾瑤為論文第一作者。清華大學生命學院博士后徐魁參與研究。項目得到國家自然科學基金委、國家重點研發計劃、北京市生物結構前沿研究中心、膜生物學國家重點實驗室的支持。
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