实验走快速发展之路

实验室实验使研究人员能够绕过五亿年的进化过程,使一种蛋白质能够像远距离相关的蛋白质一样起作用,而只需几个简单的变化即可。精美的实验说明了探测蛋白质结构的有效方法,并可能为制造更有效的药物开辟道路。

霍华德·休斯医学研究所的研究人员使用一种称为定向进化的技术,随机改变了一种蛋白质的结构,从而帮助新形成的蛋白质折叠成适当的形状。他们发现微妙的变化足以使蛋白质具有保护细胞免受有毒元素铜破坏的能力–即使发挥这种作用的天然蛋白质具有独特的结构,也经过数亿年的铸造’ of evolution.

詹姆斯·C·A说:“人们通常从回顾的角度考虑进化,观察它们现在存在的蛋白质序列,并试图推断这些蛋白质可能如何改变以具有现在的功能。”密歇根大学(University of Michigan)霍华德·休斯(Howard Hughes)医学研究所研究员Bardwell领导了进行这项研究的团队。 “我们采取了一种与另一种蛋白质相关的蛋白质,并试图查看是否可以将第一种蛋白质转化为具有第二种蛋白质功能的蛋白质。”群组’2007年6月25日当周,在《美国国家科学院院刊》上在线发表的一篇论文中描述了该研究的工作。

Bardwell及其同事研究的蛋白质DsbC和DsbG是辅助蛋白质,可使新形成的氨基酸链折叠成适当的蛋白质构型。特别是,DsbC重新排列了蛋白质中硫原子之间的键,从而形成了二硫键的框架,该二硫键充当了将蛋白质固定在一起并使其折叠和正常运行的支柱。密歇根大学医学博士学位的第一作者安妮·希尼克(Annie Hiniker)说:“正确的二硫键排列对于蛋白质而言非常重要,以至于没有正确的排列,蛋白质将无法正确折叠并被破坏。”的纸。

就像两个远亲的表亲共享一个共同的祖先一样,这两个蛋白质都来自一个共同的祖先蛋白质。但是在过去的五亿年中,它们已经发展出明显的差异。例如,它们结合新形成的氨基酸链的位点的形状不同,并且它们在其表面上具有不同的电荷模式。 “实际上,它们序列中只有大约25%的氨基酸是相同的,” Hiniker说。

DsbC(而不是DsbG)可以作为有毒元素铜的解毒剂。铜进入细胞后,会导致蛋白质中不正确的硫键形成,最终杀死细胞。但是DsbC通过将硫键放置在正确的位置来抵消这种影响,从而使细胞能够在含铜环境中生长。定向进化能否为DsbG提供DsbC的保护作用?巴德威尔’的团队决定找出答案。

首先,他们突变了DsbG基因,产生了数千种DsbG蛋白,它们与原始DsbG的区别是一到四个氨基酸。然后他们将突变的DsbG基因放入缺乏制造DsbC能力的大肠杆菌中,并在含有铜的培养皿中培养细胞。如果突变的DsbG蛋白可以保护细胞免受铜的影响,则细胞可以存活并在培养皿中产生菌落。 “你不’看不到你的突变体’对此不感兴趣,因为他们死了。” “您想要的那些成长为殖民地,因此您可以选择它们并对其进行排序。”

来自Bardwell的110,000个DsbG突变体’小组发现了至少可以完美复制DsbC部分的四个’在电解池和试管中都有铜保护活性。令人惊讶的是,这四个中的每一个与原始DsbG的区别仅在于一个氨基酸。 Bardwell说:“即使通过进化,也可以发生数百种突变,但仅通过一次突变即可将一种蛋白质转变为具有另一种功能的蛋白质。”

对突变蛋白的结构分析表明,突变体的形状并未发生大的变化,变化更为细微。一些突变改变了蛋白质特定部分的位置。有几种还以完全出乎意料的方式将蛋白质结合位点附近的带正电的区域更改为带负电的区域。 Bardwell说,一个突变“清除了该蛋白质带正电荷的部分,露出了下面的谷氨酸,就像魔术一样,所以现在您有了一个带正电荷的补丁。作为建模者或结构生物学家,我们永远都不会想到这一点。那是细菌以不同的方式产生功能所需的结构。”

Bardwell说,该实验除了提供有关进化如何改变蛋白质的结构和功能的宝贵见解外,还具有重要的实际意义。作为药剂生产的大多数蛋白质都具有硫键,这对于蛋白质的功能至关重要。但是当生物工程细菌被用来制造药剂时,它们在产生这些键上的效率不及人类细胞。

“ E.大肠杆菌是一个非常好的炼金术士,”巴德威尔说。 “它可以吸收糖,空气和盐之类的常见物质,并从中提取出非常有价值的药理蛋白质。”但是Bardwell和他的同事希望通过操纵大肠杆菌在正确位置形成硫键的能力来使其成为更好的炼金术士。

“如果您能够理解某些内容,则可以构建它,” Bardwell说。 “如果我们能理解大肠杆菌是如何产生这些键的,那么我们就可以构建所需的大肠杆菌,这可能使我们能够更快,更轻松地创建具有医学重要性的蛋白质。”

http://www.hhmi.org



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