细胞穿膜肽跨膜转导过程的动力学机制研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    U1932121
  • 项目类别:
    联合基金项目
  • 资助金额:
    58.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A3202.上海光源
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2019
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2020-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Cell-penetrating peptides (CPPs) have the ability to directly penetrate through membranes into the interior of cells via the mechanism of transduction. Such a mechanism of CPPs is regarded as one of the key factors of virus infection, and on the other hand, promises them as perfect carriers for the transmembrane delivery of gene and drugs into targeted cells. Unfortunately, due to the limit in techniques, previous experiments mainly focus on the “initial” and “final” states of the CPP-membrane interactions, via analyzing the mean status of a large amount of molecules in system. However, direct and/or single-molecular proofs on the dynamic interaction process are still lacking. In this thesis, the applicant plans to work from a new perspective of the changes in “motion modes” of the peptide/lipid molecules due to their changing conformations/states during the CPP-membrane interactions. A new method of single-molecular 3D tracking and (sub-) diffusion analysis will be developed and used, to realize the real-time tracking and physical analysis of the movement behaviors of peptides and lipids during the CPP-membrane interactions. In combination with small-angle X-ray scattering (SAXS) and molecular dynamic (MD) simulations, the temporal and spatial relationship among many complex motion modes, as well as conformational changes, of peptides and lipids will be specifically investigated. Consequently, the dynamic mechanism of transduction process of CPPs will be clarified. The relationship between key residues and transduction efficiency of peptides will be acquired. Based on these, new types of drug carriers will be developed via residue regulation. This work will provide effective method for the researches on peptide (or protein)-cell membrane interfacial dynamics, as well as useful suggestions on designing new types of peptide-based drug-carriers with high efficiency.
细胞穿膜肽(CPP)跨生物膜转导过程是病毒感染细胞的关键步骤,也为靶向于细胞的基因及药物输运提供了理想的候选途径;但由于技术限制,传统实验大多局限于对CPP-膜相互作用中大量分子平均效果的分析或对作用“首”“末”状态的表征,而对其单分子行为及动力学过程缺乏直接的实验观测和物理认识。本项目拟从分子“运动模式”直接反映其构象及状态变化这一新角度出发,开发一种对单个多肽/脂分子进行三维动态追踪和扩散行为分析的方法;结合小角X射线散射实时表征、分子动力学模拟,揭示CPP及脂膜不同运动模式及构象变化之间的时间空间关联性,从而阐明CPP跨膜转导的动力学机制,解决CPP关键氨基酸残基如何影响其跨膜转导效率这一科学问题,进而从氨基酸序列设计的角度调控CPP转导过程和设计高效药物载体。本项目将发展一类针对大分子-细胞膜界面相互作用机制研究的普适手段,为多肽基-高效率药物载体设计提供切实指导。

结项摘要

细胞穿膜肽(以及蛋白质)和细胞膜之间的相互作用对于实现许多基本细胞功能以及药物研发至关重要,然而,对其相互作用机制的理解一直是一个巨大的挑战。究其原因,主要在于相互作用的复杂性,其中许多影响因素在不同的时间和空间尺度上发挥作用,特别是以动态的方式发挥作用。本项目聚焦细胞穿膜肽跨生物膜转导的动力学过程这一核心问题,从三个层次开展研究并取得了创新性研究成果:发展了单脂分子追踪的技术手段、揭示了多种多肽及多肽类纳米药物与细胞膜的界面作用分子机制、进而指导细胞膜靶向的纳米药物设计。具体研究成果包括:1. 通过追踪和分析不同浓度膜活性多肽(蜂毒肽、As-CATH4,TAT)与细胞膜相互作用的过程中,单个脂质分子在细胞膜中的扩散行为,揭示了脂质运动的非高斯特性,并将其定量分解为“normal-diffusion”和“slow-diffusion”两种扩散运动模式;基于此,获得了多肽和膜之间变化的亚稳态相互作用状态的定量信息。这项工作建立了单脂质扩散行为与膜活性肽功能实现之间的关联,从“单脂质分子运动”的角度为研究细胞膜界面复杂动力学过程提供了一种方法。2.从单分子运动的角度,揭示了蜂毒肽通过构象变化实现高效跨膜成孔的动力学过程,揭示了PGLa和MAG2两种多肽在跨膜成孔过程中复杂的协作机制;继而,揭示了脂质纳米粒与细胞膜之间发生识别和结合过程中的两步机制和熵驱动机制。3.基于对多肽膜作用分子机制的深刻理解,设计了一系列以天然多肽为基础的物理攻击型抗耐药菌药物及策略,实现了抗菌效率20倍以上的提高。总之,本项目的实施,发展了一类研究多肽与细胞膜界面作用的生物物理方法,揭示了多种典型多肽的膜作用分子机制,进而为靶向细胞膜的抗菌药物及药物载体的设计提供指导和帮助。项目发表第一/共通讯论文25篇,IF之和>140,授权专利6项,培养学生4名。完成了预期目标。

项目成果

期刊论文数量(23)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(5)
Lipid-specific interactions determine the organization and dynamics of membrane-active peptide melittin.
脂质特异性相互作用决定了膜活性肽蜂毒肽的组织和动力学。
  • DOI:
    10.1039/d0sm00046a
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Soft Matter
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
    Deng Zhixiong;Lu Xuemei;Xu Cheng;Yuan Bing;Yang Kai
  • 通讯作者:
    Yang Kai
Computational design of a minimal “protein-like” conjugate for potent membrane poration
用于有效膜穿孔的最小“类蛋白质”缀合物的计算设计
  • DOI:
    10.1016/j.giant.2021.100071
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Giant
  • 影响因子:
    7
  • 作者:
    Zhixiong Deng;Xin You;Bing Yuan;Kai Yang
  • 通讯作者:
    Kai Yang
A molecular architectural design that promises potent antimicrobial activity against multidrug-resistant pathogens
一种分子结构设计,有望对多重耐药病原体具有有效的抗菌活性
  • DOI:
    10.1038/s41427-021-00287-y
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    NPG Asia Materials
  • 影响因子:
    9.7
  • 作者:
    Yuan Bing;Liu jiaojiao;Deng Zhixiong;Wei Lin;Li Wenwen;Dou Yujiang;Chen Zhonglan;Zhang Che;Xia Yu;Wang Jing;Zhang Mengling;Yang Kai;Ma Yuqiang;Kang Zhenhui
  • 通讯作者:
    Kang Zhenhui
Membrane-Specific Binding of 4 nm Lipid Nanoparticles Mediated by an Entropy-Driven Interaction Mechanism
熵驱动相互作用机制介导的 4 nm 脂质纳米粒子的膜特异性结合
  • DOI:
    10.1021/acsnano.2c04774
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    ACS Nano
  • 影响因子:
    17.1
  • 作者:
    Luping Ou;Haibo Chen;Bing Yuan;Kai Yang
  • 通讯作者:
    Kai Yang
Biophysical impact of lipid A modification caused by mobile colistin resistance gene on bacterial outer membranes
移动粘菌素抗性基因引起的脂质A修饰对细菌外膜的生物物理影响
  • DOI:
    10.1021/acs.jpclett.1c03295
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Journal of Physical Chemistry Letters
  • 影响因子:
    5.7
  • 作者:
    Ma Wendong;Jiang Xukai;Dou Yujiang;Zhang Zhihong;Li Jian;Yuan Bing;Yang Kai
  • 通讯作者:
    Yang Kai

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流感病毒和冠状病毒的细胞表面结合与内化
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Acta Physica Sinica
  • 影响因子:
    1
  • 作者:
    鲍美美;杨恺;元冰
  • 通讯作者:
    元冰
蜂毒肽与单组分脂膜相互作用的单分子研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Acta Physica Sinica
  • 影响因子:
    1
  • 作者:
    王康;徐成;吴晋锋;杨恺;元冰
  • 通讯作者:
    元冰

其他文献

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元冰的其他基金

力信号与生化信号协同调制免疫细胞两个关键界面过程的生物物理研究
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  • 批准年份:
    2022
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    55 万元
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    面上项目

相似国自然基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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