深圳子科生物報道：你也許想象不到，細(xì)胞中大約30%的蛋白質(zhì)是膜蛋白。這些蛋白對細(xì)胞功能至關(guān)重要，特別是在細(xì)胞通訊和轉(zhuǎn)運通路。不過，膜蛋白的研究卻困難重重，這是因為其疏水性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)研究難以開展。

一旦從細(xì)胞膜中提取，蛋白質(zhì)需要懸浮在疏水性與細(xì)胞膜類似的去垢劑中，才能成為水溶性的。然而，這些去垢劑十分昂貴，也并非普適性的。去垢劑還可能破壞蛋白的結(jié)構(gòu)和功能，因為它們會干擾分子間和分子內(nèi)的蛋白質(zhì)相互作用。那么，如今有哪些新方法和技術(shù)能夠解決這個問題？本期《BioTechniques》介紹了這方面的進展。

找到癥結(jié)所在

調(diào)整現(xiàn)有技術(shù)似乎是解決問題的合理手段。不過，為何不嘗試改變分析角度呢？畢竟，膜蛋白的疏水性才是問題的關(guān)鍵所在。

麻省理工學(xué)院的研究人員就是這樣做的。他們開發(fā)出一種新方法將膜蛋白變成水溶性。他們利用計算機算法來生成膜蛋白的代碼，然后將一些疏水性氨基酸替換成親水性氨基酸?！斑@個工具必須簡單，任何人都可以使用，而不是少數(shù)精通計算機模擬的人，”MIT高級研究員張曙光解釋道。

這種方法的前提是一些疏水性氨基酸在結(jié)構(gòu)上與特定的親水性氨基酸非常相似。因此，亮氨酸可以替換成谷氨酰胺，異亮氨酸和纈氨酸可以替換成蘇氨酸，而苯丙氨酸可以替換成酪氨酸。

另一個重要的考慮因素是氨基酸的電荷。如果將它們替換成電荷相反的氨基酸，則會對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的影響。不過，這些氨基酸都是中性電荷的，因此對整體結(jié)構(gòu)沒有實際影響。

研究人員根據(jù)三種氨基酸（谷氨酰胺、蘇氨酸和酪氨酸）的字母縮寫將該方法命名為QTY編碼技術(shù)。他們發(fā)現(xiàn)，需要替換所有的疏水性氨基酸，才能讓蛋白質(zhì)完全溶于水，而無需任何去垢劑。

他們在四種不同類型的G蛋白偶聯(lián)受體上展示了該技術(shù)。他們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過修飾的蛋白質(zhì)與原始蛋白在相似的溫度下變性，而且也可以結(jié)合相同的靶分子，但他們還沒有利用X射線晶體衍射或NMR技術(shù)獲得精確的結(jié)構(gòu)。

隱形的人工膜

闡明膜蛋白結(jié)構(gòu)的困難不僅僅在于它們的疏水性，還在于如何將它們從天然脂質(zhì)環(huán)境中分離。為此，法國和丹麥的研究人員合作開發(fā)出一種新技術(shù)，可以將膜蛋白轉(zhuǎn)移到一種類似的脂膜，并實現(xiàn)膜蛋白結(jié)構(gòu)的可視化。

人工的雙層納米圓盤能模擬天然的脂雙層環(huán)境，讓小角度的散射分析得以開展。不過，納米圓盤會增強散射強度，讓分析變得困難。于是，研究人員利用氘來標(biāo)記載體，以確保這種人工膜在100% D2O中變得隱形，而膜蛋白的結(jié)構(gòu)得以突出顯示。它適用于低分辨率的膜蛋白結(jié)構(gòu)研究。

另類質(zhì)譜分析

牛津大學(xué)的研究人員也開發(fā)出一種新技術(shù)，能夠分析膜內(nèi)完整蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，而不會改變其結(jié)構(gòu)和功能。這種技術(shù)利用超聲頻率的振動來促使細(xì)胞分離，然后施加電流將蛋白質(zhì)從細(xì)胞膜中噴射出來，直接進入質(zhì)譜儀。這些蛋白質(zhì)不僅完全無損，還能實現(xiàn)功能分析。

項目負(fù)責(zé)人、牛津大學(xué)教授Carol Robinson表示：“我之前無法確定這是否可行；我認(rèn)為膜的周圍環(huán)境太過復(fù)雜，我們可能無法理解結(jié)果?，F(xiàn)在我很高興，因為它讓我們從全新的角度認(rèn)識了這一類重要的藥物靶點?！?

這項新技術(shù)的開發(fā)也為質(zhì)譜應(yīng)用打開了新的大門。帝國理工大學(xué)生命科學(xué)系的教授Steve Matthews說：“隨著這種方法的不斷改進，質(zhì)譜在生命科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用將登上一個新的臺階。”

強強聯(lián)手

牛津大學(xué)的一組研究人員則將高分辨率固態(tài)核磁共振光譜（ssNMR）與冷凍電子斷層掃描（cryoET）技術(shù)相結(jié)合，嘗試在天然環(huán)境中研究膜蛋白。

cryoET和ssNMR提供了高度互補的信息。ssNMR觀察到的構(gòu)象和動態(tài)變化有助于解釋cryoET的功能結(jié)果。為了利用這一點，Baker等人設(shè)計出適合兩種技術(shù)的實驗系統(tǒng)。它能夠以不同的空間和時間分辨率，對天然環(huán)境中的細(xì)菌膜蛋白進行研究。這種組合比單一種技術(shù)更強大。

盡管此處提及的研究通常適用于大腸桿菌膜蛋白，但這種技術(shù)也有望擴展到其他細(xì)菌和真核細(xì)胞系。此外，它提供了一個不錯的框架，可有效地鑒定膜蛋白的結(jié)構(gòu)、功能和動力學(xué)。

文章指出，以上這些技術(shù)都有望闡明膜蛋白的結(jié)構(gòu)，從而深入了解各種疾病?？茖W(xué)家希望利用從中獲取的信息來開發(fā)藥物，靶向與疾病通路相關(guān)的膜蛋白。

原文檢索

Elucidating the structure of membrane proteins

BIOTECHNIQUES VOL. 66, NO. 4 TECH NEWS