BioTechniques聚焦膜蛋白研究的新技术

　　

你也许想象不到，细胞中大约30%的蛋白质是膜蛋白。这些蛋白对细胞功能至关重要，特别是在细胞通讯和转运通路。不过，膜蛋白的研究却困难重重，这是因为其疏水性导致结构研究难以开展。

一旦从细胞膜中提取，蛋白质需要悬浮在疏水性与细胞膜类似的去垢剂中，才能成为水溶性的。然而，这些去垢剂十分昂贵，也并非普适性的。去垢剂还可能破坏蛋白的结构和功能，因为它们会干扰分子间和分子内的蛋白质相互作用。那么，如今有哪些新方法和技术能够解决这个问题？本期《BioTechniques》介绍了这方面的进展。

找到症结所在

调整现有技术似乎是解决问题的合理手段。不过，为何不尝试改变分析角度呢？毕竟，膜蛋白的疏水性才是问题的关键所在。

麻省理工学院的研究人员就是这样做的。他们开发出一种新方法将膜蛋白变成水溶性。他们利用计算机算法来生成膜蛋白的代码，然后将一些疏水性氨基酸替换成亲水性氨基酸。“这个工具必须简单，任何人都可以使用，而不是少数精通计算机模拟的人，”MIT高级研究员张曙光解释道。

这种方法的前提是一些疏水性氨基酸在结构上与特定的亲水性氨基酸非常相似。因此，亮氨酸可以替换成谷氨酰胺，异亮氨酸和缬氨酸可以替换成苏氨酸，而苯丙氨酸可以替换成酪氨酸。

另一个重要的考虑因素是氨基酸的电荷。如果将它们替换成电荷相反的氨基酸，则会对蛋白质结构产生很大的影响。不过，这些氨基酸都是中性电荷的，因此对整体结构没有实际影响。

研究人员根据三种氨基酸（谷氨酰胺、苏氨酸和酪氨酸）的字母缩写将该方法命名为QTY编码技术。他们发现，需要替换所有的疏水性氨基酸，才能让蛋白质完全溶于水，而无需任何去垢剂。

他们在四种不同类型的G蛋白偶联受体上展示了该技术。他们发现经过修饰的蛋白质与原始蛋白在相似的温度下变性，而且也可以结合相同的靶分子，但他们还没有利用X射线晶体衍射或NMR技术获得精确的结构。

隐形的人工膜

阐明膜蛋白结构的困难不仅仅在于它们的疏水性，还在于如何将它们从天然脂质环境中分离。为此，法国和丹麦的研究人员合作开发出一种新技术，可以将膜蛋白转移到一种类似的脂膜，并实现膜蛋白结构的可视化。

人工的双层纳米圆盘能模拟天然的脂双层环境，让小角度的散射分析得以开展。不过，纳米圆盘会增强散射强度，让分析变得困难。于是，研究人员利用氘来标记载体，以确保这种人工膜在100% D2O中变得隐形，而膜蛋白的结构得以突出显示。它适用于低分辨率的膜蛋白结构研究。

另类质谱分析

牛津大学的研究人员也开发出一种新技术，能够分析膜内完整蛋白质的结构，而不会改变其结构和功能。这种技术利用超声频率的振动来促使细胞分离，然后施加电流将蛋白质从细胞膜中喷射出来，直接进入质谱仪。这些蛋白质不仅完全无损，还能实现功能分析。

项目负责人、牛津大学教授Carol Robinson表示：“我之前无法确定这是否可行；我认为膜的周围环境太过复杂，我们可能无法理解结果。现在我很高兴，因为它让我们从全新的角度认识了这一类重要的药物靶点。”

这项新技术的开发也为质谱应用打开了新的大门。帝国理工大学生命科学系的教授Steve Matthews说：“随着这种方法的不断改进，质谱在生命科学领域的应用将登上一个新的台阶。”

强强联手

牛津大学的一组研究人员则将高分辨率固态核磁共振光谱（ssNMR）与冷冻电子断层扫描（cryoET）技术相结合，尝试在天然环境中研究膜蛋白。

cryoET和ssNMR提供了高度互补的信息。ssNMR观察到的构象和动态变化有助于解释cryoET的功能结果。为了利用这一点，Baker等人设计出适合两种技术的实验系统。它能够以不同的空间和时间分辨率，对天然环境中的细菌膜蛋白进行研究。这种组合比单一种技术更强大。

尽管此处提及的研究通常适用于大肠杆菌膜蛋白，但这种技术也有望扩展到其他细菌和真核细胞系。此外，它提供了一个不错的框架，可有效地鉴定膜蛋白的结构、功能和动力学。

文章指出，以上这些技术都有望阐明膜蛋白的结构，从而深入了解各种疾病。科学家希望利用从中获取的信息来开发药物，靶向与疾病通路相关的膜蛋白。（生物通 薄荷）

原文检索

Elucidating the structure of membrane proteins

BIOTECHNIQUES VOL. 66, NO. 4 TECH NEWS