Science發(fā)布突破性蛋白質(zhì)技術(shù)
日期：2016-05-12 09:11:47
蛋白質(zhì)是自然界的機(jī)器。它們供給氧氣為我們的肌肉提供動(dòng)力，催化一些幫助我們從食物中提取能量的反應(yīng)，抵御細(xì)菌和病毒的感染。數(shù)十年來(lái)，科學(xué)家們一直在尋找方法設(shè)計(jì)可以滿足某些醫(yī)學(xué)、研究和工業(yè)特定用途的新蛋白質(zhì)?，F(xiàn)在，北卡羅來(lái)納大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究人員開發(fā)出了一種方法，通過(guò)將已存在蛋白質(zhì)的片段拼接在一起來(lái)生成新蛋白質(zhì)。
這一叫做SEWING的技術(shù)，其靈感來(lái)自于同樣將已知蛋白組成部分組合到一起生成新結(jié)構(gòu)和功能的自然進(jìn)化機(jī)制。這種方法可以生成具有許多獨(dú)特特征的一組不同的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)是蛋白執(zhí)行特定生物功能的必要條件。
發(fā)表在《科學(xué)》（Science）雜志上的研究結(jié)果，可使得研究人員能夠設(shè)計(jì)出一些在人類生物學(xué)及疾病中扮演各種不同角色，如催化劑、生物傳感器和療法的蛋白質(zhì)。
研究的資深作者、北卡羅來(lái)納大學(xué)Lineberger綜合癌癥中心成員、生物化學(xué)與生物物理學(xué)教授Brian Kuhlman博士說(shuō)：“我們現(xiàn)在可以開始考慮改造蛋白來(lái)做其他東西無(wú)法做到的事情。一個(gè)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定了它的功能，如果我們打算學(xué)習(xí)如何設(shè)計(jì)新功能，我們必須學(xué)習(xí)如何設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)。我們的研究是朝著這一方向邁出的關(guān)鍵一步，為構(gòu)建出自然界中前所未見的蛋白提供了工具。”
在化學(xué)水平上，蛋白質(zhì)是由數(shù)百至數(shù)千個(gè)一長(zhǎng)串的氨基酸所構(gòu)成。這些氨基酸的序列最終決定了每種蛋白獨(dú)特的幾何結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的某些組成部分可以像紙扇一樣來(lái)回折疊；另一些組成部分可以像彈簧那樣緊緊卷曲?？偟膩?lái)說(shuō)，科學(xué)家們估計(jì)人體包含大約10萬(wàn)種不同的蛋白質(zhì)，每種蛋白質(zhì)都是數(shù)百萬(wàn)年進(jìn)化洗牌的結(jié)果，最終形成了在細(xì)胞中執(zhí)行某一特定工作必需的一組精確的皺褶（pleats）、螺旋（coils）和溝（furrows）。
傳統(tǒng)上，研究人員采用計(jì)算蛋白設(shè)計(jì)來(lái)在實(shí)驗(yàn)室中重建已存在于自然世界中的蛋白質(zhì)。但近年來(lái)，他們的焦點(diǎn)轉(zhuǎn)向了發(fā)明具有新功能的新型蛋白。這些設(shè)計(jì)項(xiàng)目都是從頭腦中一個(gè)特定的結(jié)構(gòu)“藍(lán)圖”開始，結(jié)果是有限的。Kuhlman和同事們認(rèn)為，通過(guò)除去預(yù)定藍(lán)圖的一些限制，從進(jìn)化中取得一些線索，他們可以更容易地構(gòu)建出功能蛋白。
為了模擬自然蛋白質(zhì)進(jìn)化的一些機(jī)制，他們開發(fā)出了一種叫做SEWING的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)策略。首先，研究人員取得大量自然存在的蛋白質(zhì)，通過(guò)數(shù)字化將它們切成定義明確的片段，將像將一群布娃娃變成一堆手臂、腿和頭一樣。隨后他們進(jìn)行了一系列的計(jì)算測(cè)試，以弄清楚哪些片段會(huì)很好地組裝在一起。在自然界，這一步驟涉及尋找蛋白質(zhì)間相似的氨基酸序列片段。在計(jì)算機(jī)上，它涉及尋找結(jié)構(gòu)相似的區(qū)域，以布娃娃做比喻，因此手將最終與手臂，隨后是肩膀連接一起，而不是頭或臀部。
第一作者、Kuhlman實(shí)驗(yàn)室前研究生Tim M. Jacobs博士，利用這種方法在計(jì)算機(jī)上繪制出了5萬(wàn)個(gè)這樣連接在一起的蛋白質(zhì)。然后他選擇了一些不同的度量指標(biāo)來(lái)將清單削減至21個(gè)頂端蛋白，他在實(shí)驗(yàn)室生成了它們。Jacobs和同事們利用X射線晶體學(xué)和NMR拍下了這些蛋白質(zhì)的照片，發(fā)現(xiàn)這些蛋白包含了計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)的所有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)種類。
Jacobs說(shuō)：“我們很興奮，一些蛋白的表面有裂縫或凹槽——自然存在的蛋白質(zhì)利用這些區(qū)域來(lái)結(jié)合其他蛋白。這非常重要，因?yàn)槿绻覀兿霕?gòu)建可以發(fā)揮生物傳感器作用，在體內(nèi)檢測(cè)某一代謝物的蛋白質(zhì)，或是達(dá)到某些診斷或研究目的，它都需要有這些凹槽。同樣，如果我們想開發(fā)新療法，它們也需要附著到特定蛋白質(zhì)上。”
當(dāng)前，研究人員正在利用SEWING構(gòu)建可以同時(shí)結(jié)合幾個(gè)其他蛋白質(zhì)的蛋白。許多最重要的蛋白質(zhì)都是這樣的多面手，包括血紅蛋白（hemoglobin）可攜帶來(lái)自肺臟的四個(gè)氧氣分子至機(jī)體的組織處。
近期來(lái)自多倫多大學(xué)Lunenfeld-Tanenbaum研究所和Donnelly中心的一組研究人員開發(fā)出一種新技術(shù)，可以將細(xì)胞內(nèi)的DNA條形碼拼接在一起，以同時(shí)搜尋數(shù)百萬(wàn)個(gè)蛋白質(zhì)配對(duì)，用以分析蛋白質(zhì)相互作用。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在4月22日的《Molecular Systems Biology》雜志上。
對(duì)于血漿樣品的質(zhì)譜分析，一個(gè)重大挑戰(zhàn)是高豐度蛋白往往占據(jù)了主要信號(hào)，而掩蓋了人們感興趣的低豐度蛋白的信號(hào)，比如疾病的生物標(biāo)志物。考慮到這個(gè)問(wèn)題，質(zhì)譜流程通常需要處理血漿樣品，在分析前去除豐度最高的蛋白。復(fù)旦大學(xué)現(xiàn)代色譜分離分析實(shí)驗(yàn)室的研究人員設(shè)計(jì)出一種基于芯片的二維液相色譜系統(tǒng)，可在質(zhì)譜分析之前去除血漿樣品中的高豐度蛋白。這項(xiàng)成果發(fā)表在2016年的《Analytical Chemistry》上。
在蛋白質(zhì)合成過(guò)程中，核糖體先將氨基酸連接起來(lái)，氨基酸鏈一邊折疊一邊延伸，然后在酶的作用下進(jìn)行最后的修飾，其中就包括磷酸化。蛋白磷酸化是最常見、最重要的一種翻譯后修飾，參與并調(diào)節(jié)了機(jī)體的多種生命活動(dòng)，比如信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、基因表達(dá)、細(xì)胞周期等等。蛋白質(zhì)磷酸化研究受到了研究者的廣泛重視。Salk生物研究所的科學(xué)家們開發(fā)了一種檢測(cè)蛋白磷酸化的新技術(shù)，相關(guān)成果發(fā)表在2015年7月的Cell雜志上。
