磁受体蛋白MagR的表达纯化及性质表征

论文总字数：21213字

摘 要

自然界中的许多生物都具备感知地球磁场的方向、强度或倾斜度，并使用磁场信息作为导航线索的能力。北京大学生命科学学院谢灿实验室于2015年发现了磁感应蛋白并命名为MagR，该蛋白普遍存在于动物及细菌细胞线粒体中，能识别外界磁场并对外磁场做出反应。研究人员据此提出了“生物指南针”分子模型。这种磁敏感蛋白与光敏隐花蛋白（MagR/Cry）形成复合物，并稳定存在于大鼠、鸽子、蝴蝶和人体中。本文通过诱导大肠杆菌 BL21的MagR蛋白表达，并对其提纯方法进行优化实验，得到蛋白核酸比例大于95%的 MagR，并通过 SDS- PAGE电泳、透射电镜 TEM等方法进行分析，证明蛋白分子量在约为15.0 KDa，平均尺寸约15-24nm，紫外吸收峰大约300-400nm。这项工作为磁感应蛋白未来应用于细胞的标记分离（免疫磁珠法分离细胞），医学方面的追踪诊断，通过磁场引导药物扩散或肿瘤靶向治疗或者作为新型标签辅助 PCR技术奠定了基础。

关键词：铁硫簇 磁感应蛋白 磁遗传学

Abstract

Many organisms in nature have the ability to sense the direction, intensity, or inclination of the Earth's magnetic field and use magnetic field information as a navigational cues. The Xie Can laboratory of the School of Life Sciences of Peking University discovered the magnetic induction protein in 2015 and named it MagR. This protein is ubiquitous in animal and bacterial cell mitochondria and can recognize external magnetic fields and react to external magnetic fields. Based on this, the researchers proposed a "biological compass" molecular model. This magnetically sensitive protein forms a complex with photoreceptor cryptoprotein (MagR/Cry) and is stable in rats, pigeons, butterflies and humans. In this paper, MagR protein expression of E.coli BL21 was induced and optimized by purification method. MagR with a protein nucleic acid ratio greater than 95% was obtained, and analyzed by SDS-PAGE electrophoresis and transmission electron microscopy TEM to prove that the molecular weight of the protein was about It is 15.0 KDa, the average size is about 15-24 nm, and the ultraviolet absorption peak is about 300-400 nm. This work laid the foundation for the future separation of magnetic induction proteins into cells (immunomagnetic beads separation of cells), medical tracking diagnosis, magnetic field guided drug diffusion or tumor targeted therapy or as a new label-assisted PCR technology.

KEY WORDS: Iron-Sulfur Cluster, Magnetic receptor protein, Magnetic genetics

目 录

第一章 绪论 6

1.1引言 6

1.2 铁硫簇IscA 7

1.2.1 IscA结构 7

1.2.2 IcsA性质 8

1.3 磁感应蛋白MagR 10

1.3.1 MagR命名变迁 10

1.3.2 MagR与IscA 11

1.3.3 MagR磁受体及磁遗传学模型研究 11

1.4 本课题研究内容 12

第二章 实验材料及方法 13

2.1 磁感应蛋白技术路线 13

2.2 所用主要试剂及仪器 13

2.3 磁感应蛋白的表达 15

2.4 磁感应蛋白的纯化 16

2.5 磁感应蛋白的表征 18

第三章 实验结果与讨论 20

3.1实验结果 20

3.1.1 优化前后蛋白表达纯化结果分析 20

3.1.2 吸光度检测结果分析 22

3.1.3 水合粒径分布分析 23

3.1.4 透射电镜结果分析 24

3.2结论 24

3.2.1 MagR单体蛋白的表征结论 24

3.2.2 MagR蛋白提纯方法的优化 25

3.2.3 关于后续研究计划 25

3.3展望 25

参考文献 27

致 谢 29

第一章 绪论

1.1引言

铁硫簇蛋白IscA是线粒体中功能蛋白中一类重要的蛋白族群，其在铁/硫储存、细胞能量代谢、底物结合和活化、电子转移、基因表达调控和酶促反应中起重要作用。铁硫簇蛋白的组装和运输如果遇到了阻碍，将不可避免地影响细胞内铁的稳态和铁硫蛋白的相关功能。2015年，北京大学谢灿^[1,2]研究组发现铁硫簇蛋白IscA1具有磁性受体功能，（同年清华大学张生家课题组也发表了关于IscA的磁学性质研究^[3]，并将蛋白命名为MAR）,谢灿的研究揭示了磁感应蛋白MagR可与蓝光受体蛋白Cry（Cryptochrome）形成磁感应复合物，进而起到磁传感器（MagS）的作用。谢灿实验室进行体内实验表明，外部磁场可激活MagR，从而调节相关磁基因的表达，进一步影响神经活动和动物的定位行为，而预先设想的磁相关蛋白Cry和磁感应蛋白MagR相互作用，棒状蛋白的外围与光感受器蛋白Cry结合以实现“光磁耦合”（图1）。研究人员还发现，磁感应蛋白和光受体蛋白蛋白（MagR / Cry）稳定存在于蝴蝶，鸽子，大鼠和人类细胞^[4]。通过对动物免疫组织进行的实验还可证明，MagR和感光蛋白Cry复合体共同存在于鸽视网膜，起定位作用，这表明鸽子等动物可能能够通过该蛋白复合体“看到”地球磁场的存在。然而，由于MagR蛋白质复合物具有非常明显的固有磁矩，它可以在实验室中通过磁场富集和纯化，其可以应用于对生物大分子和细胞的操纵或动物行为的操纵。鉴于MagR磁性受体的独特功能，张生家用远程磁刺激结合磁受体定位，发明了一种称为磁性遗传学的非侵入性神经调节方法^[4]。本章节概述了MagR / IscA及其同源基因的初步发现，鉴定历史，进化保守性以及生理和生物功能。

图1 动物磁感应的生物指南针模型

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