在蛋白质组水平检测功能变化

在生物细胞中,蛋白质无处不在:这些生命的组成部分执行着无数重要的功能(www.sawang.net)。人细胞在任何给定时间都包含数千种不同的蛋白质,通常每种蛋白质类型的副本同时存在于其数百种甚至数千种中。

近年来,研究人员已经成功地使用测量仪器来充分捕获这种巨大的多样性。如今,有可能一口气筛选细胞,器官甚至整个生物,以记录其整个蛋白质组,换句话说,记录所有各种蛋白质种类及其数量。传统的蛋白质组学技术还可以确定每种蛋白质种类的丰度如何随环境条件的变化而变化。

筛选未能检测到许多功能更改

不过,到目前为止,标准的蛋白质组筛选还无法同时检测出细胞中发生的许多分子事件,这些事件导致蛋白质功能发生变化。

这些事件包括蛋白质本身的化学变化,例如磷酸化,以及与其他蛋白质或分子的相互作用。此类分子事件很重要:细胞中的许多过程(例如信号级联反应)通常仅依赖于各种分子事件,而不是蛋白质水平的调节。这使细胞能够利用其现有的一组蛋白质分子非常快速地适应新环境,而不必制造新的蛋白质分子。

使功能更改可测量

这导致苏黎世联邦理工学院分子系统生物学教授Paola Picotti和她的研究人员怀疑结构变化可以用作导致蛋白质功能变化的所有各种分子事件的读数(或“代理”)。

系统生物学家改进了蛋白质组图谱的现有方法,以便他们可以同时检测蛋白质的所有此类功能变化,直至最后一个细节。

正如他们最近在《Cell》杂志上报道的那样,他们现在已经在这一努力中取得了成功。他们的新方法使研究人员可以在原位(即直接在细胞液中)测量许多酶活性的分子相互作用和化学修饰。

覆盖面大幅增加

为了将它们用作分子事件的代理,研究人员测量了样品中存在的蛋白质结构。他们同时测量数量。Picotti说:“通过这种方式,我们捕获了影响蛋白质功能的大多数事件–覆盖率急剧增加。”

ETH教授几年前为这种新方法奠定了基础。她和她的同事使用一种称为有限蛋白水解质谱(LiP-MS)的技术,可以相对轻松地探测生物样品中的大量蛋白质的结构,例如酵母细胞质或活检组织的体液。这也使她能够记录一种和同一蛋白质的各种结构。

使蛋白质成为更好的生物标记

为了测试新的LiP-MS方法,Picotti和她的同事仔细研究了三个完善的系统。他们发现该方法不仅捕获了所有已知的功能更改,而且还发现了以前未知的事件。皮科蒂说:“这意味着我们现在可以检测到比仅测量蛋白质丰度还要多得多的生物过程。” 这是朝着使蛋白质,其改变的结构和功能在将来更可用作有效生物标记物的方向迈出的重要一步。

研究人员测试其概念的一种方法是在酵母细胞上施加盐胁迫。短时间后,细胞开始运动以应对环境中盐浓度的增加。激活此信号传导途径后,某些蛋白质被磷酸化-它们“附着”有磷酸盐-而另一些与其他分子相互作用,而另一些则改变其活性。这导致酶改变其结构,从而改变其功能。

ETH研究人员发现,在酵母中存在的3500种不同蛋白质类型中,本实验中超过300种改变了形状,而其中只有30种改变了丰度。“这意味着细胞对短暂的新刺激或急性应激反应不会产生特别大量的蛋白质;相反,他们重塑了现有产品并修改了功能。”皮科蒂说。

一旦克服了应力,重整的分子便可以恢复到其原始状态。结果,细胞中蛋白质的数量随时间保持相当恒定。这对于细胞来说是个好消息,因为产生新分子需要大量时间和精力。相比之下,重塑它们仅需几秒钟的时间和很少的精力。

有前途的诊断工具

皮科蒂(Picotti)已经进行了一个项目,以测试人类疾病的方法。她和她的同事们将帕金森氏症患者的数百个样本与健康人的样本进行了比较,以找到该疾病的结构生物标志物。

皮科蒂的初步结论是,“在这种情况下,单独的蛋白质量在诊断上没有用”,而健康和患病个体中的大多数蛋白质含量大致相等。但是,当研究人员寻找相同蛋白质的不同结构时,事情似乎更有希望。从患者采集的样品中许多蛋白质显示出改变的结构,这表明该方法有望作为一种诊断工具。然而,它是否还可以作为早期发现的手段仍有待探讨。

ETH分拆提供商业方法

研究人员已经为他们的方法申请了专利。专注于蛋白质组学的ETH衍生品Biognosys已获得该方法的许可,并已成功将其作为商业服务提供,用于分析药物开发样品中蛋白质的结构变化。新方法也引起了学术界的极大兴趣。“我每周收到国外研究人员的几次要求,看看我的实验室是否可以为他们分析样品。但是我们无法满足所有这些要求,因为我们没有能力,”皮科蒂说。

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来源:生物帮

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