纳米颗粒—蛋白复合物对细胞自噬调控的研究

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1、博士学位论文纳米颗粒-蛋白复合物对细胞自噬调控的研究作者姓名:夏凯指导教师:李宾研究员中国科学院上海应用物理研究所学位类别:理学博士学科专业:无机化学培养单位:中国科学院上海应用物理研究所2018年6月TuningCellAutophagybyNanoparticle-proteinCoronaAdissertationsubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoct

2、orofPhilosophyinInorgnicCheistryByXiaKaiSupervisor:ProfessorLiBinShanghaiInstituteofAppliedPhysics,ChineseAcademyofScienceJune2018摘要摘要自噬是真核细胞中一种重要的、保守的溶酶体降解途径，维持着蛋白质合成与降解、细胞器形成与清除之间的平衡，发挥着重要的生理作用。自噬也与癌症、神经退行性疾病、炎症等疾病的发生和发展密切相关，自噬水平的调节在这些疾病的治疗过程中发挥着重要的作用。近年来，科学研究

3、发现，纳米颗粒能诱导细胞发生自噬效应，并且通过对纳米颗粒的合成设计和功能化修饰可调控自噬水平，因此深入理解纳米颗粒与自噬的作用机制和规律，对于开发治疗自噬相关疾病的药物具有重要意义。目前，已有研究工作在纳米颗粒表面修饰不同的化学基团和短肽实现自噬水平的调控。但这两种方式都存在缺点，如：化学基团的修饰过程复杂，且合成的纳米颗粒具有潜在的生物安全性问题；修饰短肽的重要步骤是通过噬菌体展示获得与纳米颗粒特性结合的短肽，而这一技术也不容易掌握。这些不利因素限制了进一步的临床应用。因此，需要开发简单、安全的方案获得具有自噬调控能

4、力的纳米颗粒。纳米颗粒应用到生物体内时，表面迅速结合蛋白质等生物分子，形成具有“蛋白冠（proteincorona）”结构的纳米颗粒-蛋白复合物。这些纳米颗粒-蛋白复合物不仅可以调节纳米颗粒的细胞摄取、改善生物相容性，还可以作为细胞信号通路的调节剂和靶向性药物载体，在生物医学领域中有巨大的应用潜力。而在本工作中，我们发现不同纳米颗粒-蛋白复合物可以诱导不同水平的细胞自噬，有望发展成为一种简单且有效的自噬调节剂。为进一步地了解纳米颗粒-蛋白复合物对自噬水平的影响，我们以具有Fe3O4纳米颗粒为代表，系统性地分析颗粒的理化

5、性质和蛋白性质对Fe3O4纳米颗粒-蛋白复合物诱导自噬的影响，具体包括了纳米颗粒的粒径、形状和核心组成成分，以及纳米颗粒表面不同的蛋白种类。主要研究内容如下：(1)研究了血清蛋白的吸附对Fe3O4纳米颗粒自噬诱导能力的影响。在无血清时，Fe3O4纳米颗粒能引起高水平的细胞自噬，而在有血清时，Fe3O4纳米颗粒表面包裹了血清蛋白，细胞自噬水平下降了50%。这一结果提示吸附蛋白后形成的纳米颗粒-蛋白复合物可以有效降低细胞自噬水平。I纳米颗粒-蛋白复合物对细胞自噬的调控研究(2)进一步地，研究了不同种类的蛋白冠对调节自噬水平

6、的影响。我们比较了四种血清模式蛋白（白蛋白-BSA、转铁蛋白-BTf、免疫球蛋白-BIg和纤维蛋白原-BFG）与Fe3O4纳米颗粒相互作用后形成的纳米颗粒-蛋白复合物对自噬水平的调节能力，发现这些复合物的自噬调控能力不同，由强到弱依次为：BFG>BIg>BTf>BSA。并且，分析了这些蛋白的自噬调节能力与分子量之间的关系，发现它们之间有着正相关的联系，分子量越大的蛋白，自噬调节能力越强。(3)纳米颗粒-蛋白复合物调节自噬水平具有粒径依赖性。粒径分别为5,10和20nmFe3O4纳米颗粒吸附血清蛋白后形成不同粒径大小的纳

7、米颗粒-蛋白复合物，发现5nm、10nm和20nm的纳米颗粒-蛋白复合物分别将细胞自噬水平下调了12%，38%和61%，显示出粒径依赖效应，粒径越大的纳米颗粒-蛋白复合物对自噬水平的调节能力越强。(4)纳米颗粒-蛋白复合物调节自噬水平具有形状依赖性。比较了立方体(cube)，棒状(rod)和球形(sphere)Fe3O4纳米颗粒-蛋白复合物对自噬水平的调控。Fe3O4-sphere-蛋白复合物将自噬水平下调了63%。而Fe3O4-cube-蛋白复合物和Fe3O4-rod-蛋白复合物，分别将自噬水平上调了57%和192%

8、。表明，形状不同纳米颗粒-蛋白复合物的自噬调节能力不同。(5)纳米颗粒-蛋白复合物调节自噬水平具有核心组分依赖性。比较了粒径均为20nm的AuNPs和Fe3O4纳米颗粒的自噬诱导能力。不包裹血清蛋白时，Fe3O4NPs能引起比AuNPs更显著的自噬效应，而包裹上血清蛋白后，AuNPs-蛋白复合物引起的自噬诱导水平则高于Fe3O4-