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技术优势

正常折叠、构象稳定

Lipid Nanodiscs模拟天然细胞膜的磷脂双分子层结构,给膜蛋白提供一个可以正常折叠,空间构象稳定的环境

适合冷冻电镜结构解析

最优的膜支架蛋白与磷脂摩尔比,确保形成双层均匀且单分散的Lipid Nanodiscs,更好的适用于冷冻电镜单颗粒分析技术(SPA)

可装载多种类型膜蛋白

多种类型的Lipid Nanodiscs可以适应不同膜蛋白装载需求,包括不同尺寸大小、不同脂质类型及不同标签类型等

纳米磷脂盘(Lipid Nanodiscs)应用场景

膜蛋白(Membrane proteins,MPs)是生命过程的核心,在细胞与外界进行物质、信息、能量交换中发挥重要的作用和意义,并且是目前市场上大多数治疗药物的靶标。膜蛋白在没有磷脂双分子层环境的情况下,可能会出现不溶或活性改变,所以需要找到一种合适的方法让膜蛋白能够稳定地存在于细胞外的环境。Lipid Nanodiscs技术能够有效地解决膜蛋白提取后在胞外环境中稳定存在的问题,为膜蛋白的分离、纯化、结构解析和功能表征等研究提供了强有力的工具。


关于Lipid Nanodiscs

技术介绍

纳米磷脂盘(Lipid Nanodiscs)是直径为8–16 nm的盘状脂质双层,被两个环绕的两亲性螺旋蛋白(称为膜支架蛋白,membrane scaffold proteins,MSPs [1,2])稳定并使其可溶于水。MSPs是载脂蛋白(Apolipoprotein)A-I 的缩减版,它们包裹磷脂双分子层形成类膜的圆盘结构。MSPs的疏水残基位于内侧可以和磷脂分子的疏水尾部相结合,而亲水残基位于外侧使得 Lipid Nanodiscs在水溶液中具有很高的溶解度。通过 Lipid Nanodiscs 包裹,纯化后的膜蛋白在保持空间结构稳定和活性的同时,也将模拟膜蛋白在细胞膜上原有的状态,跨膜域被包埋在磷脂双分子层内部。Lipid Nanodiscs的大小取决于膜支架蛋白的长度和自组装过程中所用脂质的化学计量。 因此, MSPs与磷脂的摩尔化学计量比对于优化产量至关重要,当MSPs与磷脂处于最佳摩尔比时,即可高产量的获得双层均匀且单分散的Lipid Nanodiscs[3]
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技术展示

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图1: Lipid Nanodiscs结构示意图。
紫色:膜支架蛋白(MSPs);绿色:磷脂;蓝色:膜蛋白[4]
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图2 MPs组装到Lipid Nanodiscs中的流程示意图[3]

Lipid Nanodiscs应用案例

案例一:

2016年6月16日,美国加州大学旧金山分校程亦凡院士团队在Nature发表题为“TRPV1 structures in nanodiscs reveal mechanisms of ligand and lipid action”的研究论文,使用冷冻电镜和Lipid Nanodiscs技术相结合,解析了在天然双分子层环境中大鼠TRPV1离子通道蛋白的结构。该研究解析了Lipid Nanodiscs中TRPV1的三种结合状态的结构特征,分别是无配体、激动剂结合和拮抗剂结合状态,分辨率分别为3.2 Å、2.9 Å和3.4Å[5]


图3 在纳米磷脂盘中的TRPV1结构特征

案例二:

2020年6月15日,颜宁及杨洪远团队共同通讯在Cell 在线发表题为“Structural Basis of Low-pH-Dependent Lysosomal Cholesterol Egress by NPC1 and NPC2”的研究论文,该研究揭示了低pH依赖性胆固醇从NPC2传递到NPC1跨膜(TM)域的分子基础。在pH 8.0时,在Lipid Nanodiscs和去污剂中分别获得3.6Å和3.0Å分辨率的NPC1类似结构,揭示了连接N端结构域(NTD)和跨膜固醇传感结构域(SSD)的隧道结构;在pH 5.5时获得了分辨率为4.0Å的NPC1-NPC2复合物的结构,阐明了胆固醇从NPC2转移到NPC1(NTD)的分子基础[6]


图4 在纳米磷脂盘中的NPC1结构特征(3.6Å)



参考文献:

  1. Bayburt T H , Grinkova Y V , Sligar S G . Self-Assembly of Discoidal Phospholipid Bilayer Nanoparticles with Membrane Scaffold Proteins[J]. Nano Letters, 2002, 2(8):853-856.
  2. Denisov I G , Grinkova Y V , § and A. A. Lazarides, et al. Directed Self-Assembly of Monodisperse Phospholipid Bilayer Nanodiscs with Controlled Size[J]. Journal of the American Chemical Society, 2004, 126(11):3477-3487.
  3. Denisov I G , Sligar S G . Nanodiscs for structural and functional studies of membrane proteins[J]. Nature Structural & Molecular Biology, 2016, 23(6):481-486.
  4. The styrene–maleic acid copolymer: a versatile tool in membrane research[J]. European Biophysics Journal, 2016, 45(1):3-21.
  5. Julius, David, Cao, et al. TRPV1 structures in nanodiscs reveal mechanisms of ligand and lipid action[J]. Nature, 2016.
  6. Qian, H., Wu, X., Du, X., Yao, X., Zhao, X., Lee, J., Yang, H. and Yan, N., 2020. Structural Basis of Low-pH-Dependent Lysosomal Cholesterol Egress by NPC1 and NPC2. Cell, 182(1):98-111.e18.


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