合作让研究人员“解读”蛋白质的新特性

细胞内的蛋白质团是许多神经退行性疾病的共同线索,包括肌萎缩性脊髓侧索硬化症(ALS)或Lou Gehrig’s病。这些团块,或蛋白质的固体聚集体,似乎是液-液相分离(LLPS)过程异常的结果。

要理解这个过程是如何出错的,研究人员首先需要更好地理解llp的驱动机制。是什么原因使蛋白质凝结成液体的呢?

Pappu帕普

帕普实验室之间的合作研究,由罗希特帕普在麦凯维圣路易斯华盛顿大学工程学院,和挚友的实验室Mittag圣裘德Children’s医院的研究揭示了翻译的关键模式写入特定类型的蛋白质序列,导致llp)。

重要的是,他们还发现了氨基酸的特定排列,偏离了模式,可以负面影响相分离,并导致形成固体而不是液体的聚集体。

他们的研究发表在2月7日的《科学》杂志上。

一种稳定的液滴(富含蛋白质的相)的形成,与自然发生的稀相(缺乏蛋白质的相)共存。模拟的基础上,皮姆斯建模包开发的亚历克斯霍勒豪斯和罗希特帕普,华盛顿大学在圣路易斯

当某些细胞受到压力(这种情况经常发生)时,细胞反应蛋白就会凝结成无膜的细胞器——黏稠的液体状液滴,它们有明确的边界,但没有膜。

液滴通过LLPS形成,这种现象在概念上类似于油和醋相互分离,形成共存的液滴的过程。

虽然它被称为相分离,LLPS实际上是一个聚集或浓缩的过程。松散凝聚的蛋白质处于液体型阶段;包裹得越紧,就越结实。

在某些情况下,往往由于突变,一个错误的过程导致这些蛋白质丰富的液滴中的一些物质,也被称为生物分子凝聚物,变成更固体的聚集物。

在许多情况下,这种凝结是由蛋白质的固有无序区(IDR)所驱动的。这些是蛋白质的延伸,没有明确的三维形状,但它们在关键的功能中扮演着重要的角色,尤其是在大脑中。

工程教授埃德温·h·默蒂(Edwin H. Murty)帕普和他的同事们已经证明,idr的某些部分是有粘性的——它们倾向于在同一种蛋白质上或在附近的蛋白质上彼此粘在一起。这些“标签”实际上是蛋白质链上的氨基酸,它们之间的物质被称为“spacers,”是用来描述llp的“标签-间隔”模型的基础。

Mittag在St. Jude的团队参与了这次合作,他们在Mittag实验室进行了实验,试图识别负责相分离的关键贴纸。为了做到这一点,他们首先用核磁共振波谱观察了单氨基酸分辨率下的相互作用。

减少贴纸的数量会使液滴不稳定,因此,在与之前模拟相同的温度下,该液滴更有效地脱落蛋白质,更多的蛋白质在稀相积累。

他们的实验结果揭示了哪些氨基酸是有粘性的,但无法提供全面了解贴纸、垫片和llp之间关系所需的整体图像。

那是帕普·6037的队伍进来的地方。基于Mittag团队的实验数据,帕普和他的同事亚历克斯·霍勒豪斯(Alex Holehouse)合作。直到2019年底,亚历克斯还是帕普实验室的博士后研究员,现在是医学院生物化学和分子生物物理学助理教授。Pappu和Holehouse一起开发了一种称为PIMMS(多组分混合物中的聚合物相互作用)的开源计算方法,以定量和预测地理解驱动相分离的贴图之间的相互作用。

圣犹大大学的其他实验室实验被用来测试和证实他们的预测。

总之,模型和实验揭示了这些贴纸和相分离之间关系的新方面。

贴纸数量的进一步减少促进了液滴的形成。

尽管这个模型显示出贴纸的数量和位置的变化,但是“贴纸沿着链条的模式是非常保守的,”帕普说。“当你看到一些在进化中保存得很好的东西,你就会认为它在进化上很重要。”

因此,作为生物化学和分子生物物理学的助理教授,霍勒豪斯和帕普很自然地使用了皮姆斯来观察如果重要的模式改变了会发生什么。

研究小组问:“如果我们把所有这些贴纸都贴在一起,会发生什么?”“第一个关键发现表明,这些贴纸之间的相互作用变得如此强烈,以至于蛋白质开始互相粘在一起,堆积和生长,最终变得密度足够大,变得更固体而不是液体。”

第二个关键发现是更好地理解贴纸之间区域的重要性——间隔。和非编码DNA或“垃圾”DNA一样,这些间隔基因一开始表现出了一些有趣的特征,但似乎在蛋白质的功能中没有一个完整的角色。

事实证明,间隔对于理解llp是至关重要的。“间隔物稀释了贴纸的相互作用强度,从而使液体得以形成,”Mittag说。“如果没有间隔物,贴纸就会太近,蛋白质总是会凝结成固体。”

理解llp的驱动规律,为研究人员提供了一种“解读”蛋白质的新方法,以确定它们是会凝结成液体还是更有问题的固体形式。

LLPS不仅仅与神经退行性疾病相关。它也有可能改变我们对许多生物过程潜在机制的理解。“这个模型与理解癌症相关,”Mittag说,因为它适用于不同类型的蛋白质。

帕普指出,进一步合作的潜力是巨大的。

帕普说:“我们讨论的是写在分子里的东西,它给你的感觉几乎在细胞尺度上都很明显。”“现在你可以玩工程师和设计的游戏。你可以思考一下神经退行性疾病,找出可能出错的地方。

帕普说:“圣犹大大学提供的资金是促进Mittag实验室和我的实验室继续合作的关键。”“这项合作还得益于霍利豪斯和医学院索拉诺实验室的贡献——这些实验室也是生命系统科学与工程中心的组成部分。”


圣路易斯华盛顿大学(Washington University)麦凯维工程学院(McKelvey School of Engineering)提倡独立调查和教育,强调科学的卓越性、创新和无国界合作。麦凯维工程学院拥有一流的跨院系研究和研究生项目,尤其是在生物医学工程、环境工程和计算机领域,并且拥有全国最优秀的本科生项目之一。我们拥有140名全职教师、1387名本科生、1448名研究生和21000名在世校友,我们正在努力解决一些社会上最大的挑战;培养学生成为领导者,并在他们的职业生涯中不断创新;成为圣路易斯地区及其他地区经济发展的催化剂。
该研究由圣犹大儿童研究医院无膜细胞器健康与疾病研究合作资助;美国国家科学基金会(MCB1614766);人类前沿科学计划(RGP0034/2017);美国老年研究联合会;还有ALSAC,圣犹大大学的筹款和意识组织。

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新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://source.wustl.edu/2020/02/collaboration-lets-researchers-read-proteins-for-new-properties/

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