线粒体内氧化还原蛋白质间的相互作用及其电子传递的SERS光谱研究

Mitochondria have been described as "the powerhouse of the cell" because they generate most of the cell's supply of adenosine triphosphate. The inner mitochondrial membrane contains varieties of redox proteins, which play an essential role in electron transfer in the respiratory chain. Clarifying the mechanism of interactions between these redox proteins is helpful for better understanding of the function of mitochondria, but also will provide the basis for prevention and treatment of mitochondria-related diseases. So far, it is still remains unclear about the molecular mechanism of the recognition and interactions between the redox proteins in respiratory chain. This proposal will focus on developing biocompatible interfaces for the redox membrane-proteins, and study on interactions and electron transfer between the redox proteins in mitochondria via surface-enhanced Raman scattering (SERS). It will provide molecular-level structural information for the research of recognition and interactions between the redox proteins, based on which we will study the electron-transfer mechanism of these redox proteins. Furthermore, SERS-based approaches for interactions between cytochrome c and cytochrome b5 in the apoptotic signaling pathway will be explored.

线粒体能够产生细胞所需的大部分三磷酸腺苷，被称为细胞的能量工厂。位于线粒体内膜的多种氧化还原蛋白在呼吸链中的电子传递起了至关重要的作用。对这些氧化蛋白间相互作用机制的揭示不仅有助于深入了解呼吸链的功能，同时也可以为预防和治疗线粒体相关疾病提供依据。目前呼吸链各组分之间相互识别与作用的分子机理仍然不清晰。本项目拟为跨膜氧化还原蛋白构建生物相容性界面，利用表面增强拉曼散射（SERS）光谱研究氧化还原蛋白质间的相互作用及其电子传递的机理, 为研究氧化还原蛋白质间的识别、相互作用提供分子水平的结构信息，并以此为理论上和方法上的依据研究线粒体内此类蛋白质间的电子传递机制。此外，本项目还将在此研究基础上利用SERS光谱探索线粒体内游离的细胞素c和内质网膜蛋白细胞色素b5参与的细胞凋亡信号通路。

线粒体膜间隙内的细胞色素c（Cytc）在细胞凋亡过程中起到了至关重要的作用。Cytc与其配体的识别和相互作用是启动细胞凋亡的关键。目前与细胞凋亡相关的Cytc的配体如心磷脂、Apaf-1等很早就被发现，然而Cytc与这些配体间相互作用具体的分子机制至今仍然不清晰。相比于其它光谱方法，表面增强拉曼散射（SERS）光谱可以提供更精细的蛋白质分子结构的信息，已经在蛋白质研究领域显示出了巨大的应用潜力。但是由于缺少适合的SERS活性基底，目前利用SERS光谱研究细胞凋亡相关的细胞色素c与其配体间相互作用的报道还很少。. 基于过渡金属良好的生物相容性和拉曼散射增强能力，我们在镍纳米材料上成功获得了Cytc的SERS光谱，发现了过渡金属对Cytc的特异性电子供体特性，并建立了一种快速检测凋亡线粒体释放的Cytc的SERS方法。以此为基础，建立了SERS光谱研究Cytc-心磷脂（CL）相互作用的新方法。发现了Cytc氧化还原态对其过氧化物酶活性和CL膜渗透性的调控作用，并首次揭示了Cytc的氧化还原态对释放到胞浆的Cytc的调节机制。另一方面，利用共振拉曼光谱研究了Cytc与内质网蛋白酶复合体间的电子传递，考察了不同氧化还原分子形式的Cytc与活性氧物质生成的相关性，揭示了细胞质内Cytc的氧化还原态对线粒体-内质网凋亡信号通路的调节机制。. 通过拉曼/SERS光谱，本项目解决了生理条件下原位表征生物大分子间相互作用的科学难题，建立了过渡金属界面上研究Cytc与其配体相互作用的新方法，揭示了线粒体膜间隙细胞凋亡启动阶段以及线粒体-内质网互作过程中，Cytc的氧化还原态对凋亡信号的调节作用，对于深入理解线粒体介导的凋亡信号通路具有重要的指导意义。该项目取得的研究成果为新型抗癌药物的研发提供了理论支持和实验依据。