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科學家們改變膜蛋白質,使它們更容易研究

來源 : 亞洲健康互聯海外中心
update : 2018/08/31
Postdoc Rui Qing和首席研究科學家Shuguang Zhang領導了一種簡單的方法,使膜結合蛋白成為水溶性的。 圖片來源:麻省理工學院

人類基因組編碼的蛋白質中約有30%是跨越細胞膜蛋白質的膜蛋白,因此它們可以促進細胞與環境之間的通訊。這些分子對於學習、觀察和感知氣味以及許多其他功能至關重要。

儘管這些蛋白質普遍存在,科學家們仍難以研究它們的結構和功能,因為膜結合部分非常疏水,因此它們不能溶解在水中。這使得進行結構分析變得更加困難,例如X射線晶體學。

為了使這種結構研究更容易進行,麻省理工學院的研究人員已經開發出一種方法,透過將一些疏水性氨基酸交換為親水性氨基酸,使這些蛋白質具有水溶性。該技術基於比以前開發的使這些蛋白質可溶的方法簡單得多的代碼,其依賴於必須根據具體情況適應每種蛋白質的電腦演算法。

該研究的高級作者,麻省理工學院媒體實驗室的比特和原子中心的首席研究科學家張曙光說:「如果沒有規則可以遵循,那麼人們很難理解如何去做。 該工具必須簡單,任何人都可以使用,而不是只有少數人知道如何使用的複雜的店模擬。」該研究刊登在827日的美國國家科學院院刊上。

一個簡單的代碼
在人類細胞中發現的大約8,000種已知膜蛋白中,科學家發現了大約50種結構。人們普遍認為這種結構非常難以處理,因為一旦它們從細胞膜中提取出來,它們只有懸浮在細胞膜中才能維持它們的結構。一種洗滌劑,模仿細胞膜的疏水環境。這些洗滌劑價格昂貴,並且沒有適用於所有膜蛋白的通用洗滌劑。

在麻省理工學院生物學教授亞歷山大·里奇(Alexander Rich)的啟發下,張在2010年開始著手解決這個問題的新方法。 Rich提出了一個問題,即蛋白質結構是否稱為α螺旋,它構成蛋白質膜包埋的大部分,可以從疏水轉變為親水。

讓研究人員開發代碼的關鍵思想是,少數疏水性氨基酸具有與某些親水性氨基酸非常相似的結構。這種相似性使研究人員能夠提出一種代碼,其中亮氨酸轉化為谷氨酰胺,異亮氨酸和纈氨酸轉化為蘇氨酸,苯丙氨酸轉化為酪氨酸。

另一個重要因素是這些氨基酸都不帶電荷,因此交換它們似乎對整體蛋白質結構的影響很小。事實上,異亮氨酸和蘇氨酸非常相似,以至於核醣體,即組裝蛋白質的細胞結構偶爾會插入錯誤的核醣體 ─大約每200400次出現一次。

在分別代表谷氨酰胺、蘇氨酸和酪氨酸的三個字母之後,研究人員將他們的代碼稱為QTY代碼。

在他們最早實施該代碼的努力中,研究人員只替換了膜中嵌入的一小部分疏水性氨基酸,但所得蛋白質仍然需要一些去污劑才能溶解。他們將替代率提高到約50%,但蛋白質仍然不是完全水溶性的,因此它們取代了嵌入膜中的所有谷氨酰胺、異亮氨酸、纈氨酸和苯丙氨酸。這一次,他們取得了成功。

「只有當我們更換跨膜區域中的所有疏水殘基時,我們才能在水系統中獲得穩定且完全不含去污劑的蛋白質,」研究人員說。

結構相似
在這項研究中,研究人員展示了他們的技術,這四種蛋白質屬於一類被稱為G蛋白偶聯受體的蛋白質。這些蛋白質有助於細胞識別分子,如激素,或稱為趨化因子的免疫分子,並在細胞內引發適當的反應。

Weizmann科學研究所結構生物學教授Joel Sussman,將這種新方法描述為「非常簡單和優雅」。

「雖然許多科學家一直試圖找到一種溶解G蛋白偶聯受體和其他完整膜蛋白的方法,但到目前為止他們的方法還沒有普遍使用,而且往往涉及非常複雜的計算方式,而這些方法並不廣泛適用,」Sussman說。

研究人員仍在努力使用X射線晶體學,或核磁共振(NMR)獲得這些蛋白質的精確結構,但他們進行了一些實驗,表明結構相似。一方面,他們發現水溶性蛋白質在與原始蛋白質版本幾乎相同的溫度下變性。他們還表明,修飾的蛋白質與原始蛋白質結合的相同靶分子結合,但不強烈。

研究人員說,能夠合成這些蛋白質的水溶性版本可以實現新的應用,例如可以檢測環境污染物的傳感器。

另一種可能性是設計與癌細胞正常表達的分子結合的蛋白質的水溶性形式,可用於診斷腫瘤或鑑定血液樣本中的轉移性癌細胞。研究人員還可以製造水溶性分子,其中病毒通常與之結合的膜結合受體附著於抗體的一部分。如果將這些「誘餌療法」注入體內,病毒會與受體結合,然後被免疫系統清除,免疫系統會被抗體部分激活。

該研究由OH2實驗室和麻省理工學院Bits and Atoms Consortium中心資助,其中包括Bay Valley創新中心。