脂蛋白结构与功能的透射电子显微镜研究

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人体血浆中的胆固醇水平是心脏疾病的重要指标。胆固醇在人体中是作为脂蛋白的组成部分参与体内循环输运的,而其中高密度脂蛋白水平的高低与心血管疾病危险性的大小成反比。相反,血浆中低密度脂蛋白、中密度脂蛋白和极低密度脂蛋白水平的高低与心血管疾病的危险性大小成正比。明晰不同脂蛋白在心血管疾病中的作用机理,对了解心血管发病过程及相关疾病的预防和治疗都十分必要,而其中关键点之一就是要确定脂蛋白的结构—功能关系。不幸的是,由于脂蛋白自然的高结构活性和动态性,使得当人们应用X射线、核磁共振和质谱学等手段研究脂蛋白结构时遇到了极大的困难。  作为研究细胞、病毒和蛋白质结构的良好途径之一的透射电子显微镜,因其可以直观地观测分立大分子颗粒的空间结构,就成为了脂蛋白结构领域的极有潜力的研究工具。但是传统的脂蛋白负染电镜样品制备方法会造成脂蛋白间形成碟串状聚合物这一假象结果,影响了电镜对脂蛋白结构的正常研究。在本文中,我们找到了造成这种假象的原因,并引入了一种可以消除假象的新的负染方法。应用该方法,我们研究了脂蛋白主要成员的结构形态特征。更进一步的,我们揭示了人体中胆固醇酯转移蛋白从高密度脂蛋白中向低密度/极低密度脂蛋白转移胆固醇酯的可能机理。  首先,我们研究了自然状况下含磷脂的载脂蛋白E4的冷冻样品的电镜图像。通过对比多种负染方法和流程的含磷脂载脂蛋白E4颗粒的形状、尺寸,我们提出了一种最接近于冷冻电镜结果的负染方法。统计分析证明该染色方法与冷冻电镜的结果所造成的颗粒尺寸差别小于6%且形态相似;并且得到的图像具有高衬度和高细节的特点,因而大大有利于载脂蛋白E4三维结构的研究。通过研究仅含磷脂的脂质体,我们发现含磷脂类物质的碟串状聚合物假象是由传统负染剂磷钨酸钠盐和溶液的高盐分引起的。最后我们将该染色方法应用到其他主要脂蛋白成员上,所产生的负染电镜样品都在电镜下呈现出分离态的颗粒,且没有发现明显的结构假象。  然后,应用这一新的负染方法,我们详细研究了高密度脂蛋白的主要成员(包括9.6nm盘状、7.8nm和8.4nm椭球状、9.3nm球状重组高密度脂蛋白;人体血浆α、β、pre-β1和pre-β2高密度脂蛋白)、人体低密度脂蛋白、中密度脂蛋白和极低密度脂蛋白的主要结构形态特征。所得结果表明,负染得到的清晰的脂蛋白透射电镜图像,以及显现出的新的结构细节,为将来应用单颗粒分析等方法对脂蛋白的三维结构进行重构提供了良好的基础。  最后,我们研究了人体胆固醇酯转移蛋白是如何与脂蛋白相互作用,从而导致胆固醇酯从高密度脂蛋白向低密度/极低密度脂蛋白转移。通过电镜研究,我们发现胆固醇酯转移蛋白可以连接高密度脂蛋白、低密度/极低密度脂蛋白而形成三聚体结构。胆固醇酯转移蛋白的N-端β折叠桶区域可以深入到高密度脂蛋白内部并与其胆固醇酯核相接触。分子动力学模拟、分析结果表明,胆固醇酯转移蛋白与脂蛋白结合部分的结构具有高度的柔性,并可以导致胆固醇酯转移蛋白内部形成一条可以传递胆固醇酯的通道。
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