人类和所有脊椎动物的细胞紧密排列形成器官和腺体——这些组织对生存、呼吸和运动至关重要。
细胞之间的狭窄空间构成天然薄弱点，病毒、细菌、毒素及其他有害物质可能由此侵入人体系统。布法罗大学雅各布斯医学院和生物医学科学学院结构生物学助理教授亚历克斯·J·韦奇奥（Alex J. Vecchio）博士指出，紧密连接是这些空间中形成的细胞结构，由膜蛋白组成，通过充当阻挡致病因子的屏障发挥关键组织保护作用。
"人类上皮和内皮组织中存在三大家族膜蛋白，它们调控紧密连接的形态与功能。当这些蛋白组装异常时，会导致紧密连接屏障破坏，引发特定组织疾病。"韦奇奥解释道。
由于紧密连接结构极为复杂，该研究如同完成三维拼图。"这些膜蛋白如同独特形状的拼图块，能特异性地与其他蛋白相互作用形成完整三维结构，但我们既不知晓蛋白的具体构型，也不清楚其相互作用对象。这相当于蒙眼拼接三维拼图，甚至不确定是否集齐所有必要组件。"韦奇奥形象地比喻道。正因如此，目前尚无法构建紧密连接的三维结构模型。
"我们的核心目标是确定紧密连接蛋白的构型特征及其相互作用与组装规则。"韦奇奥强调，若掌握膜蛋白的形状与作用模式，研究团队便能建立更精确的模型解析其组合机制。他补充道："解析紧密连接的三维结构将揭示屏障形成原理，为治疗开发开辟广阔前景。"
韦奇奥担任美国国立卫生研究院新资助项目的主要研究者，该研究旨在阐明紧密连接的自然形成机制及其破坏导致疾病的病理过程。
自下而上的研究方法
这项名为"紧密连接处膜蛋白的结构与组装"的研究获得美国国家普通医学科学研究所为期五年、210万美元的资助。该研究延续了2020年授予韦奇奥的"最大化研究者科研奖"（MIRA），当时他任职于内布拉斯加大学林肯分校。
韦奇奥团队采用结构生物学与蛋白质生物物理学相结合的多学科方法，探究膜蛋白如何组装并调控组织稳态。"我们的创新之处在于以结构生物学视角审视紧密连接——从原子到分子，再到组装体、细胞和组织的自下而上研究路径，这与传统生物医学研究方向相反。"他指出，"必须整合各尺度要素才能全面理解紧密连接。"
该研究需要融合生物学、化学与物理学专业知识及相关技术。"我们初期就面临挑战：如何在不牺牲分辨率的前提下快速确定微小动态膜蛋白的构型。"韦奇奥回忆道。团队耗时五年开发了适用于低温电子显微镜（cryo-EM）的膜蛋白结构解析技术。
"在低温电子显微镜中，我们将电子束投射至玻璃态冰层中的蛋白样本，获取其二维投影影像。由于蛋白呈随机取向，通过整合多角度影像即可重构完整三维结构。"韦奇奥解释道。针对该技术更适用于大分子的局限，团队创新性地运用抗体工程平台、细菌毒素及人工智能设计的合成蛋白，使微小膜蛋白稳定增容。
"这些辅助分子意外地改变了细胞功能，带来突破性发现。"韦奇奥表示，"结构生物学视角使我们能提出独特问题并提供创新解决方案。"MIRA机制提供的研究自由度，助力团队拓展新技术、开发新型分子并建立欧美合作网络。
助力药物样分子开发
"鉴于紧密连接遍及全身组织，其直接临床应用尚难预判。"韦奇奥坦言研究聚焦基础生物学机制。但团队已取得实质性突破：成功开发出可打开紧密连接的分子，有望用于将药物递送至大脑等受限组织，治疗中枢神经系统疾病；同时发现能预防常见食源性疾病的分子。
"紧密连接调控细胞间分子通透性，我们的研究将助力开发两类药物分子：一类修复受损屏障治疗疾病，另一类突破组织屏障促进药物递送——后者正是中枢神经系统疾病治疗的关键瓶颈。"韦奇奥展望道，"未来疗法可能基于我们研发的分子，这令我充满期待。我热切期盼未来五年的研究成果。"
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