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施一公團隊解析出超復雜蛋白結構

2018-08-14 15:44:50 來源:科技日報

8月10日,《科學》雜志在線刊發施一公團隊研究成果,首次解析了人源多囊蛋白1與多囊蛋白2形成的復合物的結構,分辨率達到3.6?(埃,相當于10-10米)。

人體內多囊蛋白的突變會引發多囊腎病,每千人中大約有1—2.5人患病,算比較常見。2003年一篇題為《常染色體顯性遺傳性多囊腎病研究的熱點問題》的論文中顯示,該病的研究熱點在于致病基因表達產物,即多囊蛋白1和多囊蛋白2的結構與功能、亞細胞定位等,這樣可闡明多囊腎病的分子發病機制,有望實現臨床徹底治愈。

15年后,該蛋白家族的精細結構終于解出,完成“忘年問答”。識得該蛋白家族的“廬山真面目”難在多囊蛋白1擁有4302個氨基酸,包含11次跨膜螺旋,是一個超復雜的蛋白;同時多囊蛋白1與多囊蛋白2還會復合,增加了結構的復雜性。

系統摸索,獲得足夠的測試用量

“解析蛋白質結構的第一步是獲得足夠量且性質均一的蛋白質。”8月11日,論文作者之一的王廷亮博士告訴科技日報記者,“上鏡”前的準備工作耗時5年。

對于結構生物學家來說,測試蛋白經常在量上“捉襟見肘”。蛋白質為人源蛋白,很難直接從人體組織中富集提取而出。研究團隊通過已知的基因序列將基因在原核生物中(例如大腸桿菌)進行克隆,獲得大量基因拷貝后,通過病毒侵染的方法轉入到常用的工具細胞中進行表達,富集目標蛋白質。

為了讓外來基因在“新環境”中表達,研究組進行大量重復性工作,為目標基因(PKD1和PKD2)尋找最優的表達系統。“如通過基因編碼的優化,可提高蛋白的表達量,從而拿到體外重組蛋白質。”王廷亮說。

此時,目標蛋白仍舊在細胞中,下一步是將目標蛋白從復雜的細胞中“釣”出來。大量的提取條件摸索,如嘗試和篩選了大量的去垢劑、確定蛋白邊界等,才能形成“不錯殺一個、不漏網一千”的數量和質量上的平衡。最終,課題組獲得了珍貴稀少的目標蛋白。“50升的細胞只能提取出100微克左右蛋白,只夠完成3—5次‘上鏡’制備,符合電鏡數據收集要求的樣品往往只有1到2個。”王廷亮說。

螞蟻搬家,“反推”出高精度三維結構

冷凍電鏡通過發射電子、并測定電子通過蛋白質分子后軌跡變化的方式,達到蛋白質結構A級精度地呈現。其每次掃描的視域非常狹小。因此,蛋白“上鏡”后,需要長時間運轉和巨量信息處理。對于超大結構的蛋白質來說,研究者將收集到倍數增加的大量數據,再通過計算進行結構的再現。

整個蛋白質三維結構的成型猶如螞蟻搬家,在獲得大量多角度二維圖片后,由后期的三維重建系統對圖片數據進行計算和重構,并通過可視化系統形成蛋白質三維結構的示意圖。

通過冷凍電鏡掃描,施一公團隊獲得了多囊蛋白1和多囊蛋白2形成的獨特一比三復合物結構,并對該結構和生化數據進行了進一步分析。

“面目”清晰,提出多囊腎發病機制新觀點

蛋白復合物的清晰面目為假說給出了“鐵證”或“反證”。研究團隊發現了與當下主流學術觀點相悖的多個現象。論文第一作者宿強解釋,“多囊腎研究領域內對這兩個蛋白是否形成鈣離子通道一直存有爭議,解析結構不支持復合物為鈣離子通道的假說。”

該復合物結構也刷新了結構生物學家對電壓門控離子通道類似折疊“長相”的認識。之前報道的大多數離子通道類似折疊結構或者是同源四聚體,或者是單鏈的假四次對稱體,這個卻是兩個蛋白組成的一比三的復合物。

“有意思的是,其中一個蛋白自己單獨也能形成四聚體。這種獨特的結構意味著不同的工作機理和調控方式,豐富了結構生物學家對電壓門控離子通道類似折疊蛋白組裝的理解。”宿強說。

15年前“出題”的論文中猜測多囊蛋白1和多囊蛋白2的“協作”模式有4種,隨著結構的清晰,這些假設將很快有明確答案,給多囊腎病的機制研究帶來有益的參考。(記者 張佳星)

[責任編輯:]

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