客户案例｜PNAS 华东师范李迪教授团队开启纳米医学新篇章

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文章标题截图

文章名称：High spatial-resolved heat manipulating membrane heterogeneity alters cellular migration and signaling

样本类型：乳腺癌细胞

涉及实验：directDIA定量蛋白质组学

关于文章

本研究工作受到了国家自然科学基金、生命科学分析化学国家重点实验室、电分析化学国家重点实验室的资助。化学与分子工程学院2020级博士研究生陈小青为该论文第一作者，李迪教授和葛一凡副研究员为论文通讯作者。

论文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2312603120

文章背景

异质性（即膜上不同区域的结构和组成差异）是细胞膜生物物理化学最重要的特性之一。质膜上的异质结构，如脂筏，充当信号分子组装平台，参与多种信号转导过程。然而，由于脂筏高度动态特性，成像技术难以对活细胞上脂筏实时成像，因而脂筏动态组装过程与下游信号通路间难以建立定量关联。

近期，华东师大化学与分子工程学院李迪教授与中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心葛一凡副研究员合作，提出利用局域温度变化扰动细胞膜功能域分布的策略。用DNA折纸技术制备了兼具高空间分辨和化学分辨的光热响应分子工具，通过近红外激光操纵局部脂质环境温度来扰动脂筏的相分离程度（图1）。相关研究工作以“高空间分辨热操纵细胞膜异质性改变细胞迁移及信号通路（High Spatial-resolved Heat Manipulating Membrane Heterogeneity Alters Cellular Migration and Signaling）”为题，发表在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS）杂志上 (PNAS, 2023, 120, e2312603120)。

图1 对细胞膜区域选择性加热分子工具及细胞迁移行为变化

目的

· 研究细胞膜异质性如何影响细胞迁移和信号传导。

· 利用新型纳米加热器（nanoheaters）精确调控细胞膜上特定区域的温度，观察这种局部加热如何改变细胞行为。

方法

· 设计并制造一种能够精准附着在细胞膜特定区域（如脂筏和非脂筏区域）的纳米加热器。

· 使用高级显微技术（如STORM-AFM）观察加热对细胞膜结构的影响。

· 使用蛋白质组学分析（DIA）研究加热处理对细胞内蛋白质表达和信号通路的影响。

结果

· 发现局部加热可以显著改变细胞膜的结构和流动性。

· 这种改变影响了细胞的迁移能力，表现为加热区域的细胞迁移速度和方向性发生改变。

· 蛋白质组学分析揭示了加热处理影响了许多与细胞迁移相关的蛋白质和信号通路。

结论

· 细胞膜的异质性是细胞迁移和信号传导的关键因素。

· 通过精准控制细胞膜温度，可以调控细胞行为，这为未来的细胞治疗和药物研发提供了新的思路。

图2 对MCF-7细胞进行结构域依赖性加热处理后的蛋白质组学分析。

研究团队与上海易算生物科技有限公司蛋白组学技术强强联手，特别关注热扰动如何引起细胞下游蛋白信号通路的变化。通过使用纳米加热器操控细胞膜的异质性，观察到这种操作可以显著改变细胞内的信号传导过程。

样本分组设置

脂筏处理组（raft, -NIR）：接受了针对细胞膜脂筏区域的纳米加热器处理，但没有接受近红外（NIR）激光照射。

脂筏处理组（raft, +NIR）：接受了针对细胞膜脂筏区域的纳米加热器处理，并接受了近红外（NIR）激光照射。

非脂筏处理组（nonraft, +NIR）：接受了针对细胞膜非脂筏区域的纳米加热器处理，并接受了近红外（NIR）激光照射。

非脂筏处理组（nonraft, -NIR）：接受了针对细胞膜非脂筏区域的纳米加热器处理，但没有接受近红外（NIR）激光照射。

对照组（Control）：没有接受任何纳米加热器处理或激光照射的样本组。

这里特别关注两组细胞：未经近红外（NIR）激光照明的脂筏组（raft (−NIR)）和经过NIR照明的非脂筏组（nonraft (+NIR)）。这样的设计允许识别不同膜环境条件下细胞蛋白质表达的具体差异，并明确细胞迁移行为的调控机制。

蛋白组生信结果：

1. 蛋白质表达的显著变化：在脂筏（-NIR）处理组中，与对照组相比，有49种蛋白质显著上调，90种蛋白质下调。而在非脂筏（+NIR）处理组中，分别有281种和543种蛋白质上调和下调。

2. GO分析：脂筏（-NIR）和非脂筏（+NIR）处理改变了细胞过程、蛋白质复合体和分子功能调节活动。值得注意的是，非脂筏 (+NIR)处理组中差异蛋白的数量远远多于脂筏(- NIR)处理组。

3. KEGG通路分析：该分析揭示了脂筏（-NIR）和非脂筏（+NIR）处理组与细胞迁移中的信号传导密切相关。对于脂筏（-NIR）组，许多信号通路，如过氧化物酶体增生激活受体（PPARs）、肌动蛋白骨架调节和细胞粘附分子等被调控，直接涉及细胞迁移。对于非脂筏（+NIR）组，影响的主要通路包括氧化磷酸化、焦点粘附和细胞外基质（ECM）受体相互作用。

4. 细胞迁移相关蛋白的显著变化： 例如，CARMIL-2在脂筏（-NIR）处理后减少，而在非脂筏（+NIR）处理后增加，这表明膜异质性的改变确实能够调控细胞迁移行为。

图3 纳米加热器治疗的体内伤口愈合性能

5. 临床应用的潜力：这项研究不仅在基础科学上具有重要意义，还在临床应用方面展现出巨大潜力。尤其是在促进伤口愈合方面，非脂筏（+NIR）组表现出最高的愈合能力，8天后伤口闭合率达到92.3%，远高于对照组。非脂筏组的小鼠体重仅有轻微波动，说明治疗的生物安全性良好。

这些结果表明，通过改变细胞膜的异质性，可以显著影响细胞迁移和相关的信号传导途径，进而在活体内实现治疗应用。

以上生信分析内容（图2）由易算生物协助完成。对于蛋白质组分析而言，数据稳定性也越来越受到关注，这关系到后续生信结果的可信度，因此这篇文章在做生信分析之前，也做了全方位且严格的数据质控，包括液相系统、质谱系统、定性结果、定量结果等多个方面。采用易算自主开发EasyDIA平台，全自动在线把握仪器状态、及时进行维护和异常数据排查。

液相系统质控：

如MS2 TIC（MS2色谱总离子流图）：在色谱图梯度内谱峰尽可能的均匀分布。