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基因测试显示蛋白质结构（红色）几乎具有X射线结构的准确性（灰色） 绘制蛋白质的原子结构对于理解其行为至关重要，但这是一项艰巨的工作，通常需要专业且极其昂贵的大型仪器设备，包括冷冻电镜、蛋白质结晶自动化工作站等。现在，有两个独立的研究团队报告称，他们已经找到了一种使用遗传和生化技术来完成这项工作的方法，这可能会为更多的实验室打开结构生物学的大门。与在晶体或溶液中将蛋白质可视化的传统方法不同，这种方法还可以揭示蛋白质在细胞内的自然形态，从而揭示破坏蛋白质功能的突变是如何导致疾病的。 美国华盛顿大学的基因组科学家Douglas Fowler说：“这真是太棒了！新方法虽然不能像标准方法那样提供完整的原子结构图谱，但它提供的蛋白质大体形状却带来了与蛋白质功能相关极具价值的线索。此外，这可能会对确定膜结合蛋白或大型复合体的一部分结构产生非常大的影响，而这两种结构都很难用标准方法研究。” 现如今，最常用确定蛋白质结构的方法是将数百万份蛋白质复制成有序的晶体，然后用X射线衍射，并追踪它们的活动以揭示每个原子的特性和位置。核磁共振光谱法和冷冻电镜法等替代技术也需要大量的蛋白质，而且可能需要花费几个月时间。在数百万种被认为存在的蛋白质中，科学家们只解开了其中大约15万种的结构，而这一过程却花费了几十年的时间。 有些研究人员试图通过简单地从氨基酸序列和原子间可能的相互作用来预测蛋白质最可能的形状来加快速度。但这种计算方法的精确程度往往不如实验方法。最近的一个改进方法是比较多个物种中相同的蛋白质，以发现在蛋白质线性序列中相距很远但共同进化在一起的氨基酸对。这是个强有力的证据，表明两个分子关联紧密，并在折叠三维分子中相互作用。但美国哈佛医学院系统生物学家Debora Marks说：“只有当研究人员能够确定多种生物体共有的蛋白质，且这些蛋白质的差异足以帮助识别共同进化的多种氨基酸对时，这种方法才会奏效。” 图片来源：《Nature Genetics》 现在，由Marks与西班牙巴塞罗那科学技术学院的遗传学家Ben Lehner领导的另一个研究团队绕过了对进化帮助的需求，各自提出了在蛋白质中发现相互作用氨基酸的想法，即系统地突变每个氨基酸，并跟踪这些变化如何改变蛋白质功能，例如与另一个分子结合的能力。 这两项研究都是建立在由加州大学洛杉矶分校系统生物学家Ren Sun领导的团队，对名为GB1的细菌蛋白质片段的研究基础上。2014年，Sun的团队报告称创造了超过50万份GB1基因，每个副本的56个氨基酸中有一到两个发生了变化。对于所谓的单一突变，研究人员系统地将每一种氨基酸替换为另外19种选择中的一种。在双突变体中，它们改变了氨基酸对，几乎可以完成所有可能的组合。在用这些突变基因培养细菌并分离出蛋白质后，Sun的团队通过观察哪些突变体与其天然靶点——人免疫球蛋白G抗体结合得最紧密，从而确定了GB1氨基酸的重要性。 Marks和Lehner的团队意识到，他们可以将单突变体和双突变体的数据结合分析，以确定哪些氨基酸的相互作用最强，从而最可能在蛋白质的三维结构中相邻。Fowler说：“有时我们会看到突变结合起来产生更加显著的影响。”通过跟踪几十次这样的事件，并将结果输入到结构预测程序中，该团队计算出实验性X射线结构已知的GB1主要骨架形状，分辨率达到了几埃（angstrom，光谱线波长单位）。 图片来源：《Nature Genetics》 |
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