Annual Review of Biophysics

A wide range of cell–microenvironmental interactions are mediated by membrane-localized receptors that bind ligands present on another cell or the extracellular matrix. This situation introduces a number of physical effects including spatial organization of receptor–ligand complexes and development of mechanical forces in cells. Unlike traditional experimental approaches, hybrid live cell–supported lipid bilayer (SLB) systems, wherein a live cell interacts with a synthetic substrate supported membrane, allow interrogation of these aspects of receptor signaling. The SLB system directly offers facile control over the identity, density, and mobility of ligands used for engaging cellular receptors. Further, application of various nano- and micropatterning techniques allows for spatial patterning of ligands. In this review, we describe the hybrid live cell–SLB system and its application in uncovering a range of spatial and mechanical aspects of receptor signaling. We highlight the T cell immunological synapse, junctions formed between EphA2- and ephrinA1-expressing cells, and adhesions formed by cadherin and integrin receptors.

Like all cellular proteins, membrane proteins are synthesized by ribosomes. But unlike their soluble counterparts, highly hydrophobic membrane proteins require auxiliary machineries to prevent aggregation in aqueous cellular compartments. The principal machine is the translocon, which works in concert with ribosomes to manage the orderly insertion of α-helical membrane proteins directly into the endoplasmic reticulum membrane of eukaryotes or into the plasma membrane of bacteria. In the course of insertion, membrane proteins come into thermodynamic equilibrium with the lipid membrane, where physicochemical interactions determine the final three-dimensional structure. Much progress has been made during the past several years toward understanding the physical chemistry of membrane protein stability, the structure of the translocon machine, and the mechanisms by which the translocon selects and inserts transmembrane helices. We review this progress and consider the connection between the physical principles of membrane protein stability and translocon selection of transmembrane helices.

Fundamental to the central goals of structural biology is knowledge of the energetics of molecular interactions. Because membrane proteins reside in a free energy minimum dictated by their sequences, their lipid environment, and water, one must understand the energetics of membrane protein folding to generate physical descriptions of cellular processes. Several technical obstacles have recently been overcome to enable folding measurements for membrane proteins in lipid and detergent micelle environments, and several new folding free energies have been published within the past ten years. This review discusses the challenges, successes, and novel insights into the physical basis underlying membrane protein folds.

Sự hình thành của tự thực bào (autophagosome), một sự kiện quan trọng trong quá trình tự thực (autophagy), được thực hiện nhờ sự hợp tác của các protein Atg. Bước đầu tiên của quá trình tự thực do đói kích thích ở nấm men là sự lắp ráp của cụm Atg1, cụm này, với sự trợ giúp của các nhóm Atg khác, thu hút các hệ thống liên kết Atg và khởi đầu sự hình thành của tự thực bào. Trong bài đánh giá này, chúng tôi mô tả từ góc độ sinh học cấu trúc về cấu trúc, sự tương tác và vai trò phân tử của các protein Atg, đặc biệt là các protein trong cụm Atg1 và trong các hệ thống liên kết Atg.

Các cấu trúc tinh thể X-quang độ phân giải cao được xác định trong sáu năm qua đã tác động mạnh mẽ đến cách nhìn nhận của chúng ta về sự kích hoạt do ligand gây ra của gia đình receptor tyrosine kinase yếu tố tăng trưởng biểu bì (EGFR). Việc gắn kết ligand vào vùng ngoài bào tương của EGFR thúc đẩy một tổ chức lại miền chính, cộng với những thay đổi hình dạng cục bộ, điều này là cần thiết để tạo ra một dimer hoàn toàn do receptor điều phối. Trong phức hợp đã được kích hoạt này, các miền kinase nội bào liên kết với nhau để tạo thành một dimer không đối xứng, hỗ trợ cho sự kích hoạt allosteric của một kinase. Những mô hình này được thảo luận với sự nhấn mạnh vào các nghiên cứu gần đây mà bổ sung chi tiết hoặc củng cố tính phổ quát của quan điểm kích hoạt của gia đình receptor này. Gia đình EGFR có liên quan đến một số tình trạng bệnh lý, có lẽ nổi bật nhất là trong các loại ung thư. Các đột biến ung thư kích hoạt đã được xác định trong các vùng nội bào và ngoài bào tương của EGFR. Tác động của những đột biến ung thư này đối với việc hiểu hiện tượng kích hoạt EGFR và sự ức chế của nó được bàn luận.

Kênh Sec61 hoặc SecY, một kênh dẫn protein được bảo tồn toàn cầu, chuyển vị các protein qua màng lưới nội bào (ER) của sinh vật nhân chuẩn và màng plasma của sinh vật nhân sơ. Tùy thuộc vào các đối tác liên kết với kênh, các polypeptide được vận chuyển bằng các cơ chế khác nhau. Trong quá trình chuyển vị đồng dịch mã, ribosome cung cấp chuỗi polypeptide trực tiếp vào kênh. Trong chuyển vị sau dịch mã, một cơ chế quay được sử dụng bởi chaperone BiP trong lòng ER ở sinh vật nhân chuẩn, và một cơ chế đẩy được sử dụng bởi ATPase SecA ở vi khuẩn. Ở sinh vật nhân sơ, chuyển vị sau dịch mã được hỗ trợ thông qua chức năng của protein SecD/F. Dữ liệu cấu trúc và sinh hóa gần đây cho thấy cách kênh mở ra trong quá trình chuyển vị, chuyển vị các protein tan trong nước, giải phóng các đoạn kỵ nước của protein màng vào pha lipid, và duy trì hàng rào cho các phân tử nhỏ.

Sự tiếp xúc của các tế bào sinh học với xung điện với điện áp cao và thời gian ngắn gây ra sự gia tăng tạm thời về độ thấm của màng tế bào, cho phép quá trình vận chuyển vượt qua màng các phân tử không thấm. Trong những năm gần đây, chúng ta đã có những bước tiến lớn trong việc hiểu các sự kiện cơ bản. Sự hình thành các lỗ nước trong lớp lipid kép hiện nay đã được công nhận rộng rãi như một cơ chế, nhưng bằng chứng đang gia tăng cho thấy sự thay đổi của các lipid và protein màng đơn lẻ cũng góp phần, từ đó khẳng định sự cần thiết phải phân biệt thuật ngữ giữa điện thành màng (electroporation) và sự thấm điện (electropermeabilization). Chúng tôi đầu tiên xem xét lại các bằng chứng thực nghiệm về độ thấm màng do điện kích thích, mối tương quan của nó với điện áp xuyên màng và các mô hình liên tục của sự thấm điện mà không xem xét cấu trúc và sự kiện ở cấp độ phân tử. Tiếp theo, chúng tôi trình bày cái nhìn từ mô hình cấp độ phân tử, đặc biệt là các mô phỏng nguyên tử giúp nâng cao hiểu biết về sự hình thành lỗ, và bằng chứng về các thay đổi hóa học của lipid màng và sự điều chỉnh chức năng của các protein màng ảnh hưởng đến độ thấm của màng. Cuối cùng, chúng tôi thảo luận về những thách thức còn lại trong việc hiểu biết đầy đủ về điện thành màng và thấm điện.

Nhiều tụ hợp sinh phân tử dường như hình thành thông qua các quá trình tự phát hoặc bị điều khiển có đặc điểm giống như chuyển giai đoạn nội bào. Điều này cho thấy rằng có thể tồn tại một khung vật lý cơ bản chung điều khiển sự hình thành của các tụ hợp sinh phân tử không có liên quan về chức năng và thành phần. Trong bài tổng quan này, chúng tôi tóm tắt các nghiên cứu gần đây tận dụng khung mô hình gồm các miếng dán và khoảng trống được điều chỉnh từ lĩnh vực polymer liên kết để hiểu cách mà các phân tử protein đa trị và RNA thúc đẩy các chuyển giai đoạn dẫn đến sự hình thành các tụ hợp sinh phân tử. Chúng tôi thảo luận về cách mà độ trị (valence) của các miếng dán tác động đến các lực thúc đẩy sự hình thành tụ hợp và làm rõ cách mà các miếng dán có thể được phân biệt với các khoảng trống trong các ngữ cảnh khác nhau. Chúng tôi đề cập đến tác động của tương tác trung gian miếng dán và khoảng trống đối với các thuộc tính lưu biến của các tụ hợp và cho thấy cách mà mô hình này có thể được ánh xạ tới các yếu tố đã biết điều khiển các loại tụ hợp sinh phân tử khác nhau.

Phosphatidylserine (PS) là phospholipid mang điện tích âm phong phú nhất trong màng tế bào nhân thực. PS hướng dẫn sự liên kết của các protein có miền C2 hoặc gamma-carboxyglutamic và góp phần vào sự liên kết tĩnh điện của các ligand đa cation với màng tế bào. Khác với việc phân bố đồng đều, PS thường được tìm thấy chủ yếu ở lớp trong của màng plasma và trong các màng nội bào. Sự mất cân bằng PS là một dấu hiệu sớm của quá trình apoptosis và đóng vai trò như một tín hiệu để khởi động quá trình đông máu. Bài tổng quan này thảo luận về các yếu tố xác định và ý nghĩa chức năng của sự phân bố tế bào và hình thái màng của PS.

Các phân tử RNA nhỏ điều chỉnh sự biểu hiện gen ở sinh vật nhân thực trong quá trình phát triển và đáp ứng với các căng thẳng bao gồm cả nhiễm virus. Các ribonuclease chuyên biệt và protein gắn RNA điều khiển quá trình sản xuất và hoạt động của RNA điều chỉnh nhỏ. Sau khi được xử lý ban đầu trong nhân tế bào bởi Drosha, các microRNA precursor (pre-miRNA) được vận chuyển tới bào tương, nơi Dicer thực hiện cắt tách tạo ra các microRNA trưởng thành (miRNA) và RNA can thiệp ngắn (siRNA). Các sản phẩm dạng đôi sợi này kết hợp với protein Argonaute sao cho một sợi được chọn lọc ưu tiên và được sử dụng để hướng dẫn sự lặng im chọn lọc theo trình tự của các mRNA mục tiêu bổ sung thông qua cắt đứt endonucleolytic hoặc ức chế dịch mã. Cấu trúc phân tử của Dicer và các protein Argonaute, cũng như các phức hợp gắn RNA, đã cung cấp những hiểu biết thú vị về các cơ chế hoạt động tại trung tâm của các con đường lặng im RNA.