圖1：穩(wěn)定膜蛋白的納米盤示意圖
                                          綠色：穩(wěn)定帶 - 在本例中為MSP 蛋白
                                          灰色：磷脂
                                          橙色：穩(wěn)定的膜蛋白

納米盤一詞描述了一種小尺寸（直徑：7-50 nm）圓盤狀結構物，可應用于蛋白質組學和生物醫(yī)學等領域。納米盤主要由兩個組件構成：1、磷脂，可以是人造磷脂或細胞膜磷脂2、將磷脂綁定在一起的穩(wěn)定帶，可以是 MSP 蛋白或合成聚合物。

Nanodisc納米盤的用途
問題是，與可溶性蛋白質不同，膜蛋白嵌在脂質膜中，因此很難在天然環(huán)境中對其進行分析。磷脂雙分子層疏水核心中的膜蛋白表層也具有疏水性，而與水性膜環(huán)境接觸的表層區(qū)與普通可溶性蛋白的表層一樣具有親水性（2）。同一分子上廣泛存在疏水和親水表面，這是膜蛋白的特征。因此，在缺乏增溶劑的情況下，膜蛋白不溶于標準緩沖水溶液。例如，納米盤需要溶解膜蛋白，以模擬磷脂雙分子層的兩親環(huán)境，同時將膜蛋白的結構維持在生理相似的狀態(tài)。

兩種納米盤類型
納米盤用于模擬細胞的天然磷脂雙分子層，以此來尋找靶分子（通常為膜蛋白）。膜蛋白是細胞間通訊的關鍵物質，介導基本的生物過程，如信號轉導、跨膜轉運過程、化學信號傳感及胞間相互作用的協(xié)調(diào)。

多種人體疾病都與膜蛋白有關，膜蛋白因而成為藥物開發(fā)的重要靶標。然而，出乎意料的是，膜蛋白由高達約23%的基因進行編碼，而其占已知蛋白質結構的比率卻不足1%（1）。
   
但首先，我們將分別介紹這兩種納米盤，先從 MSP 納米盤開始。
 
MSP納米盤

MSP 納米盤通過膜支架蛋白（MSP）固定在一起。MSP可以是截短型載脂蛋白（apo）A-I，其包裹在一小塊磷脂雙分子層上，形成圓盤狀顆�；蚣{米盤（5）。MSP提供了面向脂質疏水尾的疏水面，以及外部的親水面。這樣設置使得納米盤在水溶液中高度可溶。一旦組裝成納米盤，就可以在沒有去污劑的情況下將膜蛋白保持在溶液中（5）。 尺寸：MSP 納米盤的尺寸范圍為 7 - 17 nm。尺寸由所采用的膜支架蛋白決定。表 2 描述了 由Cube Biotech 提供的膜支架蛋白及相關的納米盤尺寸。相同 MSP 蛋白的MSP 納米盤尺寸均一，直徑僅相差 +/- 1 nm。非常適合進行使用冷凍電鏡（Cryo-EM）的研究。
 
MSP納米盤的其他優(yōu)點

與其他膜蛋白增溶和重組系統(tǒng)相比，MSP納米盤具備許多優(yōu)勢，尤其在配體結合研究、構象動力學分析以及蛋白質相互作用研究等方面（6）。納米盤可用于在類似于天然膜的人工環(huán)境中重組GPCR 或轉運蛋白等膜蛋白質。 這些經(jīng)由納米盤穩(wěn)定的蛋白質可通過常規(guī)的色譜層析程序直接純化。得到的純化膜蛋白-納米盤復合物可應用于需要接觸蛋白質的生理細胞內(nèi)及細胞外表面的場景，從而能夠不受限制地接觸拮抗劑、激動劑、G 蛋白及其他相互作用對象（7）。
 
如何生成 MSP納米盤 + 蛋白質 - 復合物
A：結合納米盤與無細胞表達系統(tǒng)從表達質粒開始，可在無細胞系統(tǒng)中生成膜蛋白。在整合了初生膜蛋白（8）的混合物中提供預組裝納米盤。不需要額外添加去污劑，這樣可以最大限度地減少偽影的存在。作為一個可選項，可以將生物素�；�或同位素標記等修飾包含在內(nèi)。

B：去污劑增溶蛋白質的兩步重組從合適去污劑中的純化膜蛋白開始，添加膜支架蛋白和磷脂。包含膜蛋白的納米盤可自發(fā)形成，并通過親和或排阻層析法純化得到（6，7）。

C：直接從膜增溶從表達目標蛋白的膜開始，添加去污劑和膜支架蛋白（MSP）。膜磷脂、膜蛋白和 MSP 組裝形成納米圓盤復合物（5）。此處，獲得了表征膜蛋白群的納米盤復合物的混合物，可用于蛋白質組學研究。如果需要，可采用親和色譜法純化對單個膜蛋白-納米盤復合物進行純化處理。與方法 B 相比，接觸去污劑的時間明顯縮短了（從按天數(shù)縮短為按小時）。
 
磷脂的選擇——維持適當?shù)鞍踪|活性的關鍵

如前所述，MSP 納米盤的磷脂成分是人造的。這意味著，必須事先確定好構成目的膜蛋白所需人工膜環(huán)境的磷脂。但存在多種磷脂可供選擇，應該選擇哪一種呢？

對于這個問題，請參閱我們最常用于 MSP 納米盤的磷脂列表：    
這些選項以及其他眾多磷脂已成功實現(xiàn)單獨或組合應用（8，25）。脂質的選擇已經(jīng)被證明對蛋白質活性是至關重要的（8），例如在脂質促進蛋白質低聚反應的情況下（25）。使用組裝好的納米盤進行無細胞表達是圍繞各種脂質和脂質混合物對蛋白質的影響對其進行篩選的快捷簡便方法。
 
納米盤在科學中的應用實例

MSP納米盤最初是由Sligar及其同事一起發(fā)表的（3，4）。MSP納米盤為穩(wěn)定膜蛋白提供了完美的環(huán)境，使得通過NMR 和 SPR（9，10）等方法研究配體、激動劑或拮抗劑的結合成為可能。納米盤被證實可以提高 在冷凍電鏡中跨膜蛋白區(qū)的分辨率（22，26）。膜支架蛋白可采用組氨酸標記，以促進蛋白質納米盤復合物的純化、檢測和固相處理。其他納米盤應用的實例包括共振拉曼（11）、MALDI（13）、非共價質譜法（25）、蛋白激活研究（14）、時間分辨熒光光譜（15）和蛋白質結晶（24）。重組成納米盤的抗原已被用于提高小鼠的免疫原應答，顯示出其作為疫苗的潛力 （16）。此外，“大腸桿菌”的整個膜蛋白質組被重組為納米盤，從而創(chuàng)建出水溶性膜蛋白庫 （15）。在納米盤中重組的蛋白質可以轉移到雙層膜微胞中以提高 NMR 分辨率（23）。在納米盤的協(xié)助下，甚至實現(xiàn)了對可溶性蛋白質以及與脂質相互作用的蛋白質的分析 （20）。表 3 列出了納米盤應用的實例。
   
參考文獻

1.  Douglas, Shawn M., James J. Chou, and William M. Shih. "DNA-nanotube-induced alignment of membrane proteins for NMR structure determination." Proceedings of the National Academy of Sciences 104.16 (2007): 6644-6648.
2.  Yeates, T. O., et al. "Structure of the reaction center from Rhodobacter sphaeroides R-26: membrane-protein interactions." Proceedings of the National Academy of Sciences 84.18 (1987): 6438-6442.
3. Bayburt, T.H. et al. Reconstitution and imaging of a membrane protein in a nanometer-size phospholipid bilayer. J. Struct. Biol. (1998), 123(1):37-44
4. Civjan, N.R. et al. Direct solubilization of heterologously expressed membrane proteins by incorporation into nanoscale lipid bilayers. BioTechniques (2003) 35:556-563
5. Hagn, F. et al. Optimized phospholipid bilayer nanodiscs facilitate high-resolution structure determination of membrane proteins. J.Am.Chem. Soc. (2013), 135:1919-1925
6. Serebryany et al. Artificial membrane-like environments for in vitro studies of purified G-protein coupled receptors. Biochim. Biophys. Acta (2012), 181:225-233
7. Leitz, J. et al. Functional reconstitution of beta2-adrenergic receptors utilizing self-assembling nanodisc technology. BioTechniques (2006), 40:601-612
8. Proverbio D., et al. Functional properties of cell-free expressed human endothelin A and endothelin B receptors in artifical membrane environments. Biochim.Biophys. Acta (2013), 1828(9):2182-92
9. Glueck, J.M. et al. Integral membrane proteins in nanodiscs can be studied by solution NMR spectroscopy. J.Am.Chem.Soc. (2009), 131(34):12060-1
10.  Glueck, J.M. et al. Nanodiscs allow the use of integral membrane proteins as analytes in surface plasmon resonance studies. Anal. Biochem. (2011), 408(1):46-52
11. Mak, P.J. et al. Defining CYP3A4 structural responses to substrate binding. Raman spectroscopic studies of a nanodisc-incorporated mammalian cytochrome P450. J.Am.Chem.Soc. (2011) 133(5):1357-66
12.  Frauenfeld, J. et al. Cryo-EM structure of the ribosome-SecYE complex in the membrane environment. Nature Struct. Mol. Biol. (2011), 5:614-21
13. Marty M.T., et al. Ultra-thin layer MALDI mass spectrometry of membrane proteins in nanodiscs. Anal. Bioanal. Chem. (2012) 402(2):721-9
14. Wang, Z. et al. Tyrosine phosphorylation of Mig6 reduces its inhibition of the epidermal growth factor receptor. ACS Chem. Biol. (2013) 8(11):2372-6.
15. 15. Pandit A., et al. Assembly of the major light-harvesting complex II in lipid nanodiscs. Biophys. J. (2011) 101:2507-2515
16.  Bhattacharya, P. et al. Nanodisc-incorporated hemagglutinin provides protective immunity against influenza virus infection. J. Virology (2010) 361-371
17. Marty M.T. et al., Nanodisc-solubilized membrane protein library reflects the membrane proteome. Anal. Bioanal. Chem. (2013) 405(12):4009-16
18. Moers et al., Modified lipid and protein dynamics in nanodiscs. Biochim. Biophys. Acta (2013), 1828(4):1222-9.
19. Nasr. et al., Radioligand binding to nanodisc-reconstituted membrane transporters assessed by the scintillation proximity assay. Biochemistry (2014), 14;53(1):4-6.
20. Kobashigawa. et al., Phosphoinositide-incorporated lipid-protein nanodiscs: A tool for studying protein-lipid interactions. Anal. Biochem. 410 (2011), 77-83
21. Grinkova, Y.V., et. al., Engineering extended membrane scaffold proteins for self-assembly of soluble nanoscale lipid bilayers. Protein Engineering, Design & Selection (2010) 23(11):843-848
22. Gatsogiannis, C, et. al., Membrane insertion of a Tc toxin in near-atomic detail. Nat. Struct. Mol Biol. (2016) Oct;23(10):884-890.
23. Laguerre, A. et al. From nanodiscs to isotropic bicelles: A procedure for solution nuclear magnetic resonance studies of detergent-sensitive integral membrane proteins. Structure (2016) 24, 1-12.
24. Nikolaev, M. et al. Integral membrane proteins can be crystallized directly from nanodiscs. Cryst. Growth Des. (2017) 17(3), 945–948
25. Henrich, E., et al. Analyzing native membrane protein assembly in nanodiscs by combined non-covalent mass spectrometry and synthetic biology. eLife (2017) 6:e20954.
26. Gao, Y. et al. TRPV1 structures in nanodiscs reveal mechanisms of ligand and lipid action. Nature (2016) 534(7607):347-351. doi:10.1038/nature17964