新方法!哈佛学者以基因突变探秘蛋白质3D结构
2019/06/20
想要搞清楚DNA链上的神秘排列是如何指导蛋白质合成的?哈佛医学院的研究者们给出了新的方法确定蛋白质的3D结构。

随着测序技术的不断发展,基因组测序已经变成一件平常的事情。在国外,越来越多的人可以从药店自行购买DNA测试盒,取样完成后寄给基因测序公司获取报告。


我们不得不承认,如今基因分析在洞见人类遗传、疾病和健康方面有着不言而喻的先见性。但是即便是在当下基因分析红透半边天的时代,DNA指导合成蛋白质却仍存有不少未知。


DOI: 10.1038/s41588-019-0432-9

近日,哈佛医学院的科学家们通过评估在实验室制造的基因突变对蛋白质功能的影响,以确定蛋白质的3D结构。该研究发表在《Nature Genetics》杂志上。

为何要了解蛋白质的3D结构?


Debora Marks

哈佛医学院系统生物学副教授、研究高级研究员Debora Marks说:“我们生活在一个由结构决定功能的三维世界中。了解蛋白质在细胞内的形状和结构可以帮助我们预测它们的功能,这些结构的变化会对细胞功能带来影响。”

人体内的每一种蛋白质都是由20种不同的氨基酸组合而成的。这些氨基酸折叠、交错和相互联系的三维结构决定了蛋白质功能。


确定了蛋白质的3D结构标志着我们在了解疾病和单个蛋白质变化方面取得了显著进展,并且还能够为开发针对特定蛋白质部分的精确药物提供信息。

站在巨人的肩膀上创新

以往研究人员一直是依靠x射线晶体学、低温电子显微镜(cryo-EM)或核磁共振成像(NMRI)等方法来确定蛋白质结构。但是这些方法不仅耗时而且需要昂贵专业的设备。此外,一些蛋白质与细胞膜相结合或者易于聚集成团,它们无法通过可视化技术获得3D结构。

为了寻找更好的方法,Marks和她的同事们将目光转向DNA突变库。研究人员打破了之前研究套路—依赖自然发生的DNA突变样本,而是选择从实验室制造的DNA突变样本中获取蛋白质的3D结构。

由其他研究人员开发合成DNA序列,其中DNA序列改变从而改变了单个氨基酸。他们利用高通量方法来合成各种基因突变,然后确定突变对蛋白质功能的影响。


研究人员发现DNA序列中的功能互作,包含四种不同蛋白质和一种RNA。

由此,研究人员构建了蛋白质的3D结构,这为蛋白质在细胞中的作用提供有价值的线索。

同一序列中不同氨基酸同时突变

该研究小组特别对在同一序列中产生不同氨基酸突变的文库感兴趣。他们寻找具有上位性突变。 所谓上位性是指某一基因由于受到不同位点上别的基因抑制而不能表达的生物学效应。

遗传实验发现上位性相互作用可以获取蛋白质3D结构

该团队使用来自人类,酵母和水稻的蛋白质,包括双蛋白质复合物,以及核糖酶。这些分子中的每一个都经过充分研究,并通过其他方法得到了现有结构,这使得团队能够验证其最终预测的精确度。

研究人员将这些库中的信息输入计算机程序,用于生成分子的三维结构。令人惊讶的是,来自这些上位突变的数据足以产生与已建立的方法相似的结构,其物理位置的变化小至1.8埃(1埃等于10⁻¹⁰米)。

小蛋白质结构研究的优先选择

Marks表示,这种方法并不能取代x射线晶体学或核磁共振作为获得三维结构的方法。但这种方法将会是研究蛋白质3D结构的另一个工具,并了解它们是如何工作的。

尽管这种方法适用于小蛋白,但较大的蛋白面临更多的挑战。例如,一个由300个氨基酸组成的蛋白质可能有1600万个突变对序列。尽管序列合成的效率正在大大提高,而且可能很快就会突破这一限制,但创建这种大小的文本库仍然很困难。

参考资料:

[1] Researchers develop new method for deriving 3-D protein structures from lab-designed DNA sequences, mutant genes

[2] Inferring protein 3D structure from deep mutation scans

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