nature

当前位置: Nature » 分子生物学 » 正文

Nature:我所无法创造的,即我无法理解的

标签:NATURE 离子通道
摘要 : 一个设计的离子通道。如John等人所报到的,在设计的膜蛋白中产生生物活性的能力,是建立已被了解的根本原则的必要一步,这能由标题中Richard Feynman有名的格言扼要地阐述。 研究人员设计一种蛋白质来进行离子的跨膜运输。

一个设计的离子通道。如John等人所报到的,在设计的膜蛋白中产生生物活性的能力,是建立已被了解的根本原则的必要一步,这能由标题中Richard Feynman有名的格言扼要地阐述。

研究人员设计一种蛋白质来进行离子的跨膜运输。

现在的生命依赖于蛋白质的化学活动。科学家们一直以来都希望能了解它们的复杂结构和多种多样的化学活动,并通过设计来模拟它们的性质。然而,设计有结构的多肽链——创造功能性蛋白质的先决条件——已经被证实是非常有挑战性的。近年来在一些领域已取得了进展,如在水溶液中折叠蛋白质的设计和具催化活性蛋白质的设计,但膜蛋白的设计还处于刚刚起步阶段。John等人完成的具里程碑历史的研究直面了设计新蛋白质的两个主要挑战:具仿生功能折叠膜蛋白的设计。

在地球上所有生命最后的普遍共同祖先的时候,即约35亿年前,生命的大分子出现了一分为三的分工,DNA承担了信息库的角色、蛋白质提供催化活性,而RNA则在它们中起介导作用。这三种大分子都需要明确的三维结构来实现它们的生物作用。但核酸在变性后会自发折叠并可靠地恢复它们的结构,而蛋白质折叠则是一个容易被打乱的复杂过程;在变性后,蛋白质通常会聚集,而且还必须降解和再合成。

在设计核酸领域的快速发展使得基因工程成为了一项例行技术,它有广泛的应用性并拥有可预期性。另一方面,蛋白质设计则被证明是一个更加有难度的课题,原因在于所谓的蛋白质折叠问题:氨基酸序列是如何决定蛋白质结构的?

尤其有两方面使得这个问题非常棘手。首先,绝大多数的氨基酸序列没有折叠结构。这可能看起来是违反直觉的,因为我们通常遇到的链都是天然蛋白质链,而且这些链绝大多数是折叠的。然而,多肽文库的筛选表明十亿个样本中少于一个是折叠的。其次,对于那些少数的折叠链,折叠的自由能仅仅相当于几个氢键。因此绝大多数的折叠蛋白质在能量上与非折叠态是很相近的——通过仅高于正常生长温度的热休克处理便可造成结构破坏可以证明这一事实。因为结构是化学活性的先决条件,所以蛋白质设计仍然被这一问题所困。

虽然一个蛋白质折叠问题的通用解决方法非常有利于设计,但是为简单案例提供的方法,如设计短的、理想化的或重复性的多肽链的方法,却能使得这个领域向前发展。将进化过程中保留下来的序列模式保留下来也被证明是非常有益的,使用天然出现的蛋白质碎片作为结构单元也是如此。成功的设计工作不仅仅复制了一些天然折叠和酶活性,还产生了新的折叠和催化活性。正如Richard Feynman的非常有名的格言所说的,“我所无法创造的,我无法理解”,成功的设计也能有力地说明这个设计原理已被了解。

卷曲螺旋是最好的蛋白质设计模型系统中的一个,它是由两条或多条平行或反平行取向的螺旋线绕着一个中心轴弯曲形成的纤维性褶皱。卷曲螺旋的螺旋线沿着能形成有规律的、几何上确定的相互作用的残基配对,因此它们有低复杂度的重复序列。相比于球状褶皱(通常多于70个残基),卷曲螺旋能在较短的长度内(一般为25到30个残基)结构化,而且更加稳定。在蛋白质中,只有它们的结构能用参数方程(Crick方程)描述,也因此能被计算(而不是模拟,模拟是一个艰辛得多的过程)。包括John等人的工作在内,最近的研究大幅地扩展了经设计的卷曲螺旋形式的范围。

Huang等人设计了由三条和四条螺旋线形成的反平行束,与通常的序列周期为七个残基的卷曲螺旋不同,这两种反平行束的序列周期分别为18个和11个残基,它们同时还异常稳定。作者还建立了由五条螺旋线形成的平行卷曲螺旋,它标志着带紧密堆积核的束状向封闭着一个中央、溶剂可进入的通道的桶状的过渡。

卷曲螺旋桶中的螺旋线间相互作用包含了两种残基键接(而不是像束状那样只有一种),因此更加难以设计。Thomson等人根据键接的几何学将这些复杂的键接分成了三类,他们还通过设计五聚物、六聚物和七聚物桶来表明他们已了解了决定类型的原理。实验表明由这些桶状形成的通道有不同的化学可及性,基于此,他们强调了这些通道有可能用作催化剂。

这些通道也很有可能用于跨膜溶质运输。John等人通过构建膜包埋的卷曲螺旋来阐明这一点,这种螺旋两头末端处有两个Zn2+离子的结合位点。这个卷曲螺旋(称为Rocker)能有意地在两种状态中动态地振动,例如当Zn2+结合在一个位点时,另一个位点的Zn2+就会释放。通过进一步地设计结合位点,例如它们能与锌离子或者氢离子配合,但不能同时配合,John等人确认了这些离子是以相反的方向运输的。的确,他们表明Rocker能在一端转运一个Zn2+离子的时候在另一端转运三到四个氢离子,即使两端存在pH梯度(见图)。通过对这个合成的反向转运体的结构和活性的深入表征证实了所有设计目标所达到的精确度。

John等人的研究令人信服地打破了蛋白质设计的一些障碍:将蛋白质设计从溶剂中引入到膜中,以动态性质为目标,而不是稳定性,从基本原理中获得了先进的仿生性能,不依赖于筛选或者定向进化。由于绝大多数的膜蛋白是螺旋形的,而且Grigoryan和Degrado已经为这些结构提供了Crick方程的通用扩展式,这项工作能为膜蛋白工程开创令人振奋的新途径。这是不应该被忽视的,但是将这些进展扩展至其它的蛋白折叠仍然是一个挑战。

原文检索:

Andrei N. Lupas. (2014) What I cannot create, I do not understand. Nature, 346(6216): 1455-1456.

 

来源: Nature 浏览次数:84

热门文章TOP

RSS订阅 - 填写您的邮件地址,订阅我们的精彩内容: - 网站地图
网站联系电话:020-87540820 备案号:粤ICP备11050685号-8 增值电信业务经营许可证:粤B2-20120479
©2011-2015 生物帮 All rights reserved.