Science聚焦膜蛋白的“護(hù)花使者”
日期：2015-03-09 09:21:30
來自芝加哥大學(xué)的科學(xué)家們?cè)?/span>3月5日的《科學(xué)》（Science）雜志上報(bào)告稱，他們發(fā)現(xiàn)一種分子復(fù)合物是通過形成具有保護(hù)袋的二聚體結(jié)構(gòu)，將一類重要的蛋白引導(dǎo)到了細(xì)胞膜中的正確位點(diǎn)。這一結(jié)構(gòu)在尾錨定膜蛋白通過細(xì)胞內(nèi)環(huán)境時(shí)保護(hù)了它們免于發(fā)生有害聚集或錯(cuò)誤折疊。尾錨定膜蛋白在從神經(jīng)遞質(zhì)釋放到胰島素生成等很多的細(xì)胞功能中發(fā)揮了作用。研究結(jié)果闡明了一個(gè)基本生物學(xué)過程背后的機(jī)制。
研究的共同資深作者、芝加哥大學(xué)生物化學(xué)和分子生物物理學(xué)副教授Robert Keenan博士說：“細(xì)胞通過這一兩亞基復(fù)合物保護(hù)了尾錨定蛋白，讓它們?cè)谶m當(dāng)?shù)臅r(shí)間去到細(xì)胞膜的正確位點(diǎn)。打個(gè)簡(jiǎn)單的比喻，它就像是一個(gè)熱狗面包。它提供了一個(gè)大凹槽來容納目標(biāo)蛋白的跨膜區(qū)。”
膜蛋白參與了許多重要的細(xì)胞功能，例如信號(hào)傳導(dǎo)、催化化學(xué)反應(yīng)、以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和離子轉(zhuǎn)運(yùn)。這些蛋白包含一些疏水區(qū)，使得它們能夠嵌入到細(xì)胞膜的疏水脂質(zhì)雙層中。蛋白質(zhì)合成發(fā)生在細(xì)胞的水環(huán)境中，在這一過程中新生成的疏水區(qū)傾向于簇聚在一起以避水。由于聚集可造成危害，一些保護(hù)性機(jī)制會(huì)在它們形成時(shí)立即保護(hù)這些區(qū)域，然后伴護(hù)著蛋白質(zhì)去到細(xì)胞膜。
不同于大多數(shù)的膜蛋白，尾錨定蛋白只包含一個(gè)疏水區(qū)，這一區(qū)域通常是最后被合成。因此，需要包括GET的幾個(gè)分子因子協(xié)調(diào)作用來防止尾錨定蛋白發(fā)生聚集。
這一信號(hào)通路的一個(gè)關(guān)鍵組成元件是稱作為Get3的靶向因子，它負(fù)責(zé)捕捉并保護(hù)尾錨定蛋白的疏水區(qū)。對(duì)于Get3執(zhí)行其保護(hù)功能的機(jī)制一直存在爭(zhēng)議，使得這一完整信號(hào)通路的相關(guān)研究不斷地改變。以往一些研究認(rèn)為，四個(gè)Get3分子結(jié)合形成了一個(gè)四聚體復(fù)合物抱住它的貨物。而來自Keenan和共同作者、英國(guó)醫(yī)學(xué)研究理事會(huì)Ramanujan Hedge博士等人的其他一些研究，提出了只包含兩個(gè)Get3亞基的二聚體復(fù)合物。
為了解決這一問題，研究小組在芝加哥大學(xué)博士后研究人員Agnieszka Mateja的帶領(lǐng)下，第一次在實(shí)驗(yàn)室中組裝了Get3底物復(fù)合物。利用純化元件來模擬生理?xiàng)l件，他們發(fā)現(xiàn)了二聚體結(jié)構(gòu)。研究人員證實(shí)當(dāng)Get3與ATP結(jié)合時(shí)形成了二聚體，但隨著時(shí)間的推移Get3自然地降解了ATP，這有可能導(dǎo)致了以往在非生理?xiàng)l件下觀察到的四聚體Get3底物復(fù)合物。當(dāng)研究人員在具有不能降解ATP的修改版本Get3的細(xì)菌中表達(dá)一種尾錨定蛋白質(zhì)時(shí)，只有二聚體復(fù)合物形成。
為了顯像這一生理相關(guān)結(jié)構(gòu)，研究人員利用蛋白質(zhì)結(jié)晶方法研究了正抱住疏水尾錨定蛋白的Get3。與芝加哥大學(xué)生物化學(xué)和分子生物物理學(xué)教授Tony Kossiakoff博士合作，研究小組設(shè)計(jì)出了一些合成抗體片段來結(jié)合Get3二聚體的特定部分。這些抗體促進(jìn)了Get3和底物結(jié)晶。通過逐個(gè)原子分析這一復(fù)合物，研究小組發(fā)現(xiàn)Get3確實(shí)如他們預(yù)測(cè)的那樣發(fā)揮作用——兩個(gè)Get3亞基在一個(gè)大疏水凹槽中保護(hù)了尾錨定蛋白。
Keenan 說：“我們經(jīng)過了很多艱苦的工作才進(jìn)入到這一步，最終確定了這一生理復(fù)合物的結(jié)構(gòu)。這是一條非常重要的信號(hào)通路，一個(gè)技術(shù)難題，是第二個(gè)實(shí)例我們瞥見疏水跨膜蛋白是如何結(jié)合它的一個(gè)靶向分子的。它提供了關(guān)于細(xì)胞運(yùn)作機(jī)制的一個(gè)基本認(rèn)識(shí)。”
在解開這一機(jī)構(gòu)及闡明Get3的保護(hù)機(jī)制后，Keenan和他的研究小組現(xiàn)正在調(diào)查GET信號(hào)通路中其他步驟的機(jī)制。
Keenan 說：“在設(shè)想二聚體模型或四聚體模型兩種情況下，GET信號(hào)的機(jī)制細(xì)節(jié)是不相同的。通過證實(shí)這一生理相關(guān)靶向復(fù)合物是二聚體，我們獲得了一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單而精巧的運(yùn)作模型。它真正理清了這一領(lǐng)域的思路。”
