在生物細(xì)胞中，蛋白質(zhì)無(wú)處不在：這些生命的組成部分執(zhí)行著無(wú)數(shù)重要的功能。人細(xì)胞在任何給定時(shí)間都包含數(shù)千種不同的蛋白質(zhì)，通常每種蛋白質(zhì)類型的副本同時(shí)存在于其數(shù)百種甚至數(shù)千種中。

近年來(lái)，研究人員已經(jīng)成功地使用測(cè)量?jī)x器來(lái)充分捕獲這種巨大的多樣性。如今，有可能一口氣篩選細(xì)胞，器官甚至整個(gè)生物，以記錄其整個(gè)蛋白質(zhì)組，換句話說(shuō)，記錄所有各種蛋白質(zhì)種類及其數(shù)量。傳統(tǒng)的蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)還可以確定每種蛋白質(zhì)種類的豐度如何隨環(huán)境條件的變化而變化。

篩選未能檢測(cè)到許多功能更改

不過(guò)，到目前為止，標(biāo)準(zhǔn)的蛋白質(zhì)組篩選還無(wú)法同時(shí)檢測(cè)出細(xì)胞中發(fā)生的許多分子事件，這些事件導(dǎo)致蛋白質(zhì)功能發(fā)生變化。

這些事件包括蛋白質(zhì)本身的化學(xué)變化，例如磷酸化，以及與其他蛋白質(zhì)或分子的相互作用。此類分子事件很重要：細(xì)胞中的許多過(guò)程(例如信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng))通常僅依賴于各種分子事件，而不是蛋白質(zhì)水平的調(diào)節(jié)。這使細(xì)胞能夠利用其現(xiàn)有的一組蛋白質(zhì)分子非?？焖俚剡m應(yīng)新環(huán)境，而不必制造新的蛋白質(zhì)分子。

使功能更改可測(cè)量

這導(dǎo)致蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院分子系統(tǒng)生物學(xué)教授Paola Picotti和她的研究人員懷疑結(jié)構(gòu)變化可以用作導(dǎo)致蛋白質(zhì)功能變化的所有各種分子事件的讀數(shù)(或“代理")。

系統(tǒng)生物學(xué)家改進(jìn)了蛋白質(zhì)組圖譜的現(xiàn)有方法，以便他們可以同時(shí)檢測(cè)蛋白質(zhì)的所有此類功能變化，直至最后一個(gè)細(xì)節(jié)。

正如他們最近在《Cell》雜志上報(bào)道的那樣，他們現(xiàn)在已經(jīng)在這一努力中取得了成功。他們的新方法使研究人員可以在原位(即直接在細(xì)胞液中)測(cè)量許多酶活性的分子相互作用和化學(xué)修飾。

覆蓋面大幅增加

為了將它們用作分子事件的代理，研究人員測(cè)量了樣品中存在的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。他們同時(shí)測(cè)量數(shù)量。Picotti說(shuō)：“通過(guò)這種方式，我們捕獲了影響蛋白質(zhì)功能的大多數(shù)事件–覆蓋率急劇增加。"

ETH教授幾年前為這種新方法奠定了基礎(chǔ)。她和她的同事使用一種稱為有限蛋白水解質(zhì)譜(LiP-MS)的技術(shù)，可以相對(duì)輕松地探測(cè)生物樣品中的大量蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，例如酵母細(xì)胞質(zhì)或活檢組織的體液。這也使她能夠記錄一種和同一蛋白質(zhì)的各種結(jié)構(gòu)。

使蛋白質(zhì)成為更好的生物標(biāo)記

為了測(cè)試新的LiP-MS方法，Picotti和她的同事仔細(xì)研究了三個(gè)完善的系統(tǒng)。他們發(fā)現(xiàn)該方法不僅捕獲了所有已知的功能更改，而且還發(fā)現(xiàn)了以前未知的事件。皮科蒂說(shuō)：“這意味著我們現(xiàn)在可以檢測(cè)到比僅測(cè)量蛋白質(zhì)豐度還要多得多的生物過(guò)程。" 這是朝著使蛋白質(zhì)，其改變的結(jié)構(gòu)和功能在將來(lái)更可用作有效生物標(biāo)記物的方向邁出的重要一步。

研究人員測(cè)試其概念的一種方法是在酵母細(xì)胞上施加鹽脅迫。短時(shí)間后，細(xì)胞開始運(yùn)動(dòng)以應(yīng)對(duì)環(huán)境中鹽濃度的增加。激活此信號(hào)傳導(dǎo)途徑后，某些蛋白質(zhì)被磷酸化-它們“附著"有磷酸鹽-而另一些與其他分子相互作用，而另一些則改變其活性。這導(dǎo)致酶改變其結(jié)構(gòu)，從而改變其功能。

ETH研究人員發(fā)現(xiàn)，在酵母中存在的3500種不同蛋白質(zhì)類型中，本實(shí)驗(yàn)中超過(guò)300種改變了形狀，而其中只有30種改變了豐度?！斑@意味著細(xì)胞對(duì)短暫的新刺激或急性應(yīng)激反應(yīng)不會(huì)產(chǎn)生特別大量的蛋白質(zhì);相反，他們重塑了現(xiàn)有產(chǎn)品并修改了功能。"皮科蒂說(shuō)。

一旦克服了應(yīng)力，重整的分子便可以恢復(fù)到其原始狀態(tài)。結(jié)果，細(xì)胞中蛋白質(zhì)的數(shù)量隨時(shí)間保持相當(dāng)恒定。這對(duì)于細(xì)胞來(lái)說(shuō)是個(gè)好消息，因?yàn)楫a(chǎn)生新分子需要大量時(shí)間和精力。相比之下，重塑它們僅需幾秒鐘的時(shí)間和很少的精力。

有前途的診斷工具

皮科蒂(Picotti)已經(jīng)進(jìn)行了一個(gè)項(xiàng)目，以測(cè)試人類疾病的方法。她和她的同事們將帕金森氏癥患者的數(shù)百個(gè)樣本與健康人的樣本進(jìn)行了比較，以找到該疾病的結(jié)構(gòu)生物標(biāo)志物。

皮科蒂的初步結(jié)論是，“在這種情況下，單獨(dú)的蛋白質(zhì)量在診斷上沒有用"，而健康和患病個(gè)體中的大多數(shù)蛋白質(zhì)含量大致相等。但是，當(dāng)研究人員尋找相同蛋白質(zhì)的不同結(jié)構(gòu)時(shí)，事情似乎更有希望。從患者采集的樣品中許多蛋白質(zhì)顯示出改變的結(jié)構(gòu)，這表明該方法有望作為一種診斷工具。然而，它是否還可以作為早期發(fā)現(xiàn)的手段仍有待探討。

ETH分拆提供商業(yè)方法

研究人員已經(jīng)為他們的方法申請(qǐng)了專li。專注于蛋白質(zhì)組學(xué)的ETH衍生品Biognosys已獲得該方法的許可，并已成功將其作為商業(yè)服務(wù)提供，用于分析藥物開發(fā)樣品中蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化。新方法也引起了學(xué)術(shù)界的極大興趣。“我每周收到國(guó)外研究人員的幾次要求，看看我的實(shí)驗(yàn)室是否可以為他們分析樣品。但是我們無(wú)法滿足所有這些要求，因?yàn)槲覀儧]有能力，"皮科蒂說(shuō)。

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