改變分析角度關注膜蛋白研究

　　你也許想象不到，細胞中大約30%的蛋白質是膜蛋白。這些蛋白對細胞功能至關重要，特別是在細胞通訊和轉運通路。不過，膜蛋白的研究卻困難重重，這是因為其疏水性導致結構研究難以開展。

　　一旦從細胞膜中提取，蛋白質需要懸浮在疏水性與細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構和功能，因為它們會干擾分子間和分子內的蛋白質相互作用。那么，如今有哪些新方法和技術能夠解決這個問題？本期《BioTechniques》介紹了這方面的進展。

　　調整現有技術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鍵所在。

　　麻省理工學院的研究人員就是這樣做的。他們開發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。“這個工具必須簡單，任何人都可以使用，而不是少數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構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，則會對蛋白質結構產生很大的影響。不過，這些氨基酸都是中性電荷的，因此對整體結構沒有實際影響。

　　研究人員根據三種氨基酸（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。他們發現，需要替換所有的疏水性氨基酸，才能讓蛋白質完全溶于水，而無需任何去垢劑。

　　他們在四種不同類型的G蛋白偶聯受體上展示了該技術。他們發現經過修飾的蛋白質與原始蛋白在相似的溫度下變性，而且也可以結合相同的靶分子，但他們還沒有利用X射線晶體衍射或NMR技術獲得精確的結構。

　　隱形的人工膜

　　闡明膜蛋白結構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環境中分離。為此，法國和丹麥的研究人員合作開發出一種新技術，可以將膜蛋白轉移到一種類似的脂膜，并實現膜蛋白結構的可視化。

　　人工的雙層納米圓盤能模擬天然的脂雙層環境，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，而膜蛋白的結構得以突出顯示。它適用于低分辨率的膜蛋白結構研究。

　　另類質譜分析

　　牛津大學的研究人員也開發出一種新技術，能夠分析膜內完整蛋白質的結構，而不會改變其結構和功能。這種技術利用超聲頻率的振動來促使細胞分離，然后施加電流將蛋白質從細胞膜中噴射出來，直接進入質譜儀。這些蛋白質不僅完全無損，還能實現功能分析。

　　項目負責人、牛津大學教授Carol Robinson表示：“我之前無法確定這是否可行；我認為膜的周圍環境太過復雜，我們可能無法理解結果。現在我很高興，因為它讓我們從全新的角度認識了這一類重要的藥物靶點。”

　　這項新技術的開發也為質譜應用打開了新的大門。帝國理工大學生命科學系的教授Steve Matthews說：“隨著這種方法的不斷改進，質譜在生命科學領域的應用將登上一個新的臺階。”

　　強強聯手

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

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

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

　　文章指出，以上這些技術都有望闡明膜蛋白的結構，從而深入了解各種疾病。科學家希望利用從中獲取的信息來開發藥物，靶向與疾病通路相關的膜蛋白。