結構基因組學加速蛋白質結構測定

日期：2010-10-29 15:26:29

蛋白質是生命的物質基礎，在人體各種形式的生命活動包括物質運輸、催化化學反應、離子轉運及信號傳遞中發揮著重要的作用。在細胞中蛋白質的功能通常是由它們的三維空間結構所決定。然而現在建立所謂的三級結構對科學家們來說還是個巨大的挑戰，在進行結構分析前研究人員還需要開展大量的工作。

在過去的十年里美國國立衛生研究所（NIH）全國普通醫學科學研究所（NIGMS）投入了5000萬美元資金啟動蛋白質結構計劃（Protein Structure Initiative），希望能推動醫學及生物學研究。德國慕尼黑大學的信息學教授Burkhard Rost 、Marco Punta以及同事Carl von Linde參與了這個大規模的計劃。他們為美國紐約膜蛋白結構協會（New York Consortium on Membrane Protein Structure ，NYCOMPS)工作。NYCOMPS的科學家主要從事膜蛋白的研究工作，他們通常都是藥理學研究領域的權威人士。當藥劑進入細胞時，它們總是首先與膜蛋白發生相互作用。了解膜蛋白的結構對于揭示分子水平上的相互作用具有非常重要的意義。

然而利用實驗方法破解這些重要的膜蛋白的三級結構非常的困難。例如，對于科學家們來說許多膜蛋白的重組表達就是他們面對的一個相當大的挑戰，此外蛋白質的純化和結晶也是非常困難的步驟。因此，雖然人體有25%的蛋白質是膜蛋白，然而目前它們還不到已知結構的總蛋白量的1%。鑒于膜蛋白與醫療有著密切的關系，科學家們需要更多地加深對它們的了解。

由于實驗分析一種膜蛋白通常要花費數年的時間，NYCOMPS的科學家們采用了一種稱為建立同源模型(homology modeling)的生物信息學策略。這一策略的基本設想是假定有著共同進化祖先的蛋白質在氨基酸序列及三維結構上彼此相似。當研究人員能夠對其中一個相關的蛋白質結構進行測定時，就可對其余的蛋白質進行預測。

在對細菌膜蛋白TehA的研究中，科學家們將所有的謎底收集到了一起。“在篩選操作中，我們通過比較成千上萬的氨基酸序列找到了TeHA相關的膜蛋白。利用多級選擇程序我們從38個不同的生物體中篩選出43個蛋白，”慕尼黑工業大學計算生物學家Marco Punta說。

目前哥倫比亞大學的科學家已成功地利用X射線衍射晶體技術確定了流感嗜血桿菌TehA膜蛋白的三級結構。擁有1.2 Å的分辨率，這是有史以來獲得的最好的膜蛋白晶體結構。此外，研究人員還驚訝的發現TehA膜蛋白有著至今完全未知的褶疊。

在逐步識別了“TehA家族”后，哥倫比亞大學的科學家們成功地推導出各個蛋白質的結構。此外，通過與TehA蛋白結構進行比較，研究人員還制造出了植物膜蛋白SLAC1的結構模型——這一切完全不依賴實驗，而是通過生物信息學方法獲得。

“我們的目的是利用這種程序進行高通量蛋白質結構測定，在更短的時間內確定更多蛋白質的結構，尤其是膜蛋白。目前我們手頭獲得的結果表明該策略確實適合于對膜蛋白的研究，”Burkhard Rost說。

利用遺傳突變技術，通過確定蛋白質的三維結構最終鑒定蛋白質的功能。雖然TehA 和SLAC1關系較遠——僅有19%的氨基酸序列重復，但基于預測的SLAC1三級結構仍有可能假設出SLAC1膜蛋白的功能。

SLAC1被發現存在于植物擬南芥的氣孔中。氣孔控制著植物與環境之間水氣與二氧化碳的交換。膜蛋白SLAC1作為陰離子通道的組成部分在這一過程中發揮著重要作用。它影響了植物細胞的膨壓（植物細胞中液體對細胞壁的壓力）以及氣體交換。

SLAC1陰離子通道是一種新的結構和離子傳導機制。SLAC1有著比較均一的孔徑，在孔徑中央有著一個苯丙氨酸殘基阻塞通道。這個結果表明通過與觸發蛋白質相結合，苯丙氨酸殘基發生改變，SLAC1離子通道才能被激活。