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PNAS:开发一个系统来研究没有固定结构的蛋白质

内在无序蛋白(IDPs)可以根据外部环境动态改变其构象,因此可以与不同的化合物结合。然而,它们很难分析。现在,东京工业大学的研究人员已经用一种新的管道解决了这个问题,该管道可以通过无细胞蛋白质结晶技术快速分析IDPs的晶体结构。

许多人更容易把蛋白质想象成某种刚性的“分子机器”,每种蛋白质都有一个定义明确的结构,以实现或补充其功能。然而,许多重要的蛋白质缺乏这种固定的三维结构。相反,这些所谓的内在无序蛋白质(IDPs)可以根据其外部环境采用各种不同的构象。IDPs的这种固有的灵活性使它们具有通用性,并且通常能够与许多不同的化合物结合。

与其他类型的蛋白质相比,IDPs可能很难分析。为了理解IDP的生物学功能,确定能够在原子水平上稳定其子区域的因素或决定因素是有用的。实现这一目标的一个重要方法是将目标IDP固定在蛋白质晶体支架上,这使得使用蛋白质晶体学技术成为可能。然而,目前可用的方法是相当缓慢和不方便使用。

在此背景下,由日本东京工业大学生命科学与技术学院和国际研究前沿倡议(IRFI)的Takafumi Ueno教授领导的研究小组着手建立一种更可靠、更通用的方法。在他们发表在《美国国家科学院院刊》上的最新研究中,他们报告了一种用于快速分析IDPs晶体结构的创新管道的开发。

该管道的亮点之一是它使用无细胞蛋白结晶(CFPC)方法来获得所需的IDP与支架晶体结合。为了说明管道的使用,研究人员将他们的努力集中在c-Myc的片段上,这是一种来自调节细胞周期进程、细胞凋亡和其他细胞功能的基因家族的IDP。

利用蛋白质结构预测软件Foldit,研究小组设计了一种昆虫细胞衍生的多面体晶体(PhC),作为c-Myc片段结合的支架。为了加速PhC和c-Myc片段之间的交叉结晶,研究人员制备了c-Myc融合的PhC单体mRNA,并将其混合在含有细胞提取物和PhC构建单元的系统中。由于细胞提取物含有转录mRNA所需的细胞机制,该系统可以在不依赖活细胞的情况下产生大量c-Myc融合的phc,极大地加速了IDP的稳定并简化了随后的提取分析。

一旦结晶的c-Myc片段被分析,研究人员使用分子动力学模拟,在重复上述步骤之前,有策略地将突变引入c-Myc基因。通过比较修饰片段如何与PhC支架结合以及形成的结构,研究小组可以确定最终控制c-Myc稳定的关键残基。“这些发现强调了我们的CFPC筛选方法作为确定具有挑战性的靶蛋白结构和阐明控制其稳定性的基本分子相互作用的有价值的工具的力量,”上野说。

该方法可用于生物分子结合的研究,这是医学和细胞生物学等领域的基础。“我们的筛选系统将应用于尚未确定结合伙伴的目标IDPs,并设计新的结合分子,如抑制剂,”Ueno强调说。“此外,晶体结构的快速筛选可以使我们构建蛋白质晶体的设计库,加速阐明IDP折叠机制。”

如果幸运的话,这些努力将有助于提高我们对蛋白质的理解,为新药和生物分析技术铺平道路。


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