Science重要成果：蛋白質組繪圖新技術

日期：2013-02-05 09:21:35

為了更清楚地了解細胞內正在發(fā)生的事件，科學家們需要知道數(shù)以千計蛋白質和其他分子的定位。麻省理工學院的化學家們現(xiàn)在開發(fā)了一項新技術，可以標記細胞某一特定區(qū)域中所有的蛋白質，從而更準確地繪制這些蛋白質的圖像。

領導這一研究的是著名華裔女科學家、化學副教授Alice Ting，她曾師從諾貝爾獲得者錢永健，因為在標記和觀測活細胞內特異蛋白上所采用的創(chuàng)新技術而曾獲得多個行業(yè)大獎，包括NIH“院長先鋒獎”。

在這篇發(fā)表于1月31日《科學》（Science）雜志上的論文中，Ting和同事們利用這一新技術鑒別了定位在線粒體基質上的近500個蛋白質。

Ting說：“能夠獲得活細胞時空分辨分子圖像，這是生物學的一個圣杯。我們離這一目標仍然很遠，但我們最主要的動機還是為了更接近于這一目標。”

Ting與來自Broad研究所和哈佛大學醫(yī)學院的研究人員共同開發(fā)的這項新技術，結合了現(xiàn)有兩種技術——顯微鏡成像和質譜法的力量，標記了細胞特異區(qū)域中的蛋白質，生成了一張該區(qū)域中所有蛋白質的綜合列表。

蛋白標記

利用熒光顯微鏡或電子顯微鏡，科學家們可以高分辨率確定蛋白質定位，但一次只能對少量細胞的約2萬個蛋白進行成像。Ting說：“這是一個容量問題。你當然不能在單細胞中一次對蛋白質組中的所有蛋白質成像，因為沒有辦法從光譜上分開大量信號通道。”

利用質譜法，通過電離檢測化合物的質量和化學結構，科學家們可以在一次實驗中分析單個細胞的整個蛋白質組成。然而，這一過程需要溶解細胞膜釋放細胞內容物，它將所有蛋白質混雜到了一起。通過純化這些混合物，并提取特異的細胞器，就有可能弄清這些細胞器中的蛋白質，但這一過程很麻煩，且常常是不可靠的。

新方法則是在質譜法之前先標記活細胞中的蛋白質，從而在細胞裂解之前先獲得了空間信息。隨后在分析過程中通過注釋攜帶定位標記的蛋白，對這一信息進行重建。

新系統(tǒng)利用了一種生物素（biotin）化學標記。為了用生物素標記蛋白質，研究人員首先設計出了一種命名為“APEX”的新酶。該酶是一種過氧化物酶。

每種過氧化物酶都具有不同的底物，生物素酚（biotin-phenol ）是APEX的一種底物。當研究人員將生物素酚添加到表達APEX的工程細胞上時，該酶生成了生物素-苯氧自由基(phenoxyl radical)——帶有不成對電子的高活性分子。這些自由基迅速抓取附近的蛋白質，用生物素對它們進行標記。

為了確定生物素是細胞中特異區(qū)域唯一的標記蛋白，研究人員設計APEX，使得它只與定位于目的區(qū)域的某一蛋白質或肽結合。一旦處于正確的位點，APEX酶就會在最初目標的短距離內標記所有其他的蛋白質。

Ting說，標記蛋白質之后的過程便非常的常規(guī)。溶解細胞，提取生物素標記蛋白質，利用質譜法鑒定這些蛋白質。

“你所做的就是在活細胞中用生物素標記這些蛋白質，然后你只需抽提出這些蛋白質。因此，你可以繞過與純化蛋白質區(qū)域和細胞器相關的所有問題，因為你再也不需要這樣做，”Ting說。

綜合列表

為了證明這一技術的效力，研究人員生成了線粒體基質上蛋白質的綜合列表。細胞的大部分能量均是在線粒體中生成，許多的生物合成過程也在這一細胞器中發(fā)生。

利用這一新方法，研究小組鑒別了線粒體基質中近500個蛋白質。以前，研究人員曾嘗試通過抽提這一細胞區(qū)室，然后進行質譜分析，生成了僅37個蛋白質的列表。“從前并沒有線粒體基質亞區(qū)的高質量圖譜，而現(xiàn)在我們獲得了一個，”Ting說。她補充說道，這一新的信息資源應該有助于生物學家們了解更多關于其中大量蛋白質功能的信息。

該研究小組現(xiàn)發(fā)現(xiàn)，與血紅素合成有關的PPOX酶并非如生物學家曾認為的那樣定位。當血紅素前體通過生物合成途徑時，它們穿梭到了細胞的不同部位。在線粒體基質中發(fā)現(xiàn)PPOX表明：一定是有未知的轉運蛋白將血紅素前體帶到了基質。

她說：“重定位將使得人們不得不重新思考這些生物合成途徑，以及中間體移動的機制。現(xiàn)在基于我們數(shù)據(jù)，將不得不改寫對這條途徑的分子理解。”

現(xiàn)在，研究人員正在調查存在于線粒體另一區(qū)室——膜間隙中的蛋白質。他們也修改了標記系統(tǒng)的化學物，以便他們能利用利用它來完成其他任務，例如繪制膜蛋白的表面結構圖譜，檢測特異蛋白質間的相互作用。