《自然－方法》最新生物技术精华集锦

　　

生物通综合：《自然－方法》（Nature Methods）是一部有关最尖端方法论的论坛刊物，覆盖生命科学与相关化学领域中的经实验证明的技术进展。这部月刊为学术界、企业第一线研究人员提供不拘一格的新视野与新的研究工具，特别注重对现有工作的立竿见影的实际应用。以下为6月《自然－方法》杂志上介绍的最新生物学技术综览。

 

蛋白质化学合成方面有了新突破

研究者发现，除了对蛋白质进行连接外，还可以对蛋白质进行折叠和功能分析方面的尝试，尽管这时候它们仍然被束缚于一种亲水性的固体支持物上。

 

由于近来在重组表达技术方面有了突破，研究者因而能够合成他们感兴趣的任何蛋白质。但是，这并不总是一个简单的奋斗目标，对于像分光镜探针整合技术和膜蛋白合成技术这样的复杂过程尤其如此。美国芝加哥大学的Stephen Kent就是这样的明星之一，他从事的领域是一种有关蛋白质化学合成的极为有用的替代技术，遗憾的是在一定程度上被人们忽略了。

固相缩氨酸合成技术（SPPS）被用于少于50个氨基酸残基的化学合成。自然化学连接方法（NCL）是一种广泛被认可的方法，它用于缝合人造的缩氨酸片段，进而合成大分子量的蛋白质。该方法利用了在含有N端的半胱氨酸和 -硫酯之间存在的高度特异性反应，并在水相这一最为温和的溶剂中蒸发。近来，通过应用一种亲水性的固体支持物，以便在上面装配蛋白质，Kent与他的学生Erik Johnson发现，尽管该蛋白质仍旧被束缚于支持物上，要进行连接、折叠和功能分析等方面的工作是可能的。

Kent、Johnson及其同事找到了理想的工具，应用于依托于支持物的NCL，其对象是一个和高分子量聚氧化乙烯相关的商用树脂，即亲水性的超透性有机组合化学（SPOCC）树脂。使用NCL和SPOCC，他们合成了小型蛋白质EETI-II，这是一种发现于南瓜种子里的胰岛素抑制剂。因为SPOCC是亲水的，因而在树脂上能够对EETI-II进行折叠。更为有趣的是，当EETI-II仍旧被束缚于支持物上时，它依然具有抑制胰岛素的能力。因为SPOCC是高度通透性的，像蛋白质这样的大分子能够很容易地扩散进来和扩散出去，这有利于进行功能方面的分析。

Kent同时承认，这种方法最为明显的实用领域就是有关蛋白质的组合化学合成，例如组装服务于功能研究的“一珠一化”文库。但他更愿意致力于开发具有各种神奇特征的树脂，这些特征能提高以支持物为基础的NCL这一方法的效率，最终是展示与重组表达方法相比，它常常具有简单易行的特征。“我们更有兴趣将NCL应用到大型蛋白质的合成过程中，尤其是膜蛋白，因为我们可以一直将多肽链很好地进行溶解以便能随时应用于各种反应，直到我们希望将其放入到液体双分子层中为止，” Kent说。“与直接在树脂上面进行化验相比，我们对在蛋白质功能形成过程中恢复蛋白质功能这一方面更感兴趣。”

 

让DNA发挥RNA的角色

 

依托于一种酸性核酸的DNA酶，其成功的体外进化过程有助于人们对早期进化事件的理解；同时，它为研究者设计出更为复杂的寡核苷酸提供了参考。

 

很多具有催化功能的ＲＮＡ分子，也就是酶性核酸，目前已经在自然状态下被鉴定出来或者是在实验室中被合成出来；然而，这些酸性核酸的ＤＮＡ型版本，始终是缺乏催化功能的。Scripps研究所的Gerald Joyce表示，一些人对此感到惊奇，部分是因为人们忽略了组成ＲＮＡ的核糖核苷酸和组成ＤＮＡ的脱氧核糖核苷酸之间的差异在生物化学方面所具有的重要意义。“尽管它们都是功能分子，”他说，“都是单个的ＤＮＡ或ＲＮＡ通过折叠成一定的形状然后发挥出酶学功能，但它们之间存在的细微差异则意味着在现实世界中的巨大差异。”

这直接孕育产生了一种有关生命发生最原始阶段的主要理论，它描述了一个“前RNA”的世界，这期间一种RNA前体调控着生命发生的最原始阶段。随着时间的推移，“前RNA”开始让位于RNA，但是，这些功能特征也不知不觉地转换到这一更为复杂的大分子上。于是，Joyce就产生了疑问，“如果我们从具有某一功能的信息大分子着手，这里姑且以RNA为例，你能使它演化成为同时还保留或重新获得该功能的另一种信息大分子么？”

为了解决这一疑问，Joyce的研究小组使用U3C，即一种工程化的RNA连接酶酸性核酸，作为切入点，来合成它的惰性DNA配对物；接着，使之再经受多轮试管进化方面的考验，每次都筛选出那些具有连接两种RNA底物分子能力的DNA。经过十轮选择后，他们分离出了克隆体10-18，这是一种人工脱氧核酶，具有原有的酸性核酸模板大约一半的催化效率。

克隆体10-18看起来仍保留有同样的一般性催化特征，虽然它具有的连接键在化学方面与R3C形成的化学键有所不同。然而，Joyce说：“这是人类第一次在从一种大分子向另一种大分子演化转变的过程中保持住了原有的功能”。正因为如此，这项工作在帮助人们理解“前生物”进化的最原始阶段时具有里程碑式的意义。这项工作也具有应用方面的意义，Joyce指出，“如果你对一个RNA酶感兴趣，但你希望它像DNA一样更为‘死硬’……这样你就能瞄准这个RNA，将其演化成为一个DNA酶。因此，硬化RNA酶的一种方式就是使其DNA化。”

 

数学计算扩展生物信息学研究平台

 

两篇新近发表的研究论文揭示了计算工具在生物信息学中的巨大价值，它们可以将仅仅以序列为基础的生物信息学分析工作引入到像预测、去除和网络建设等这些更为高级的舞台之中。

 

随着人们对细胞器官蛋白质组学这一新兴领域的兴趣不断增加，研究者要想从海量原始数据中提炼出一种精确的理论假说，在生物信息学方面进行战略性的创新就变得尤为必要。计算方法和实验方法之间存在着一种共生关系，来自麻省理工学院和哈佛大学共建的Broad研究所的科学家Vamsi Mootha这样解释说：“它们互为补充，你不能将它们单个孤立开来。为了支持高质量的计算方法，你需要从高质量的数据系统着手。”

Mootha近来通过介绍一种更为先进的生物信息学方法，用于鉴定线粒体中的蛋白质，从而演绎了上面描述的共生关系。以前的实验策略主要着眼于与基元相关的标记物方面，但Mootha研究小组开展的“艺术大师”研究项目采取了一种更为全面的实验方法，他们以结构和实验两方面的数据为基础，将八种不同的标记物整合起来，以便获得预测对线粒体定位的可能性的方法。在使用一套包含有已知的阴性和阳性对照物的金标准检验“艺术大师”之后，Mootha的研究小组验证了几百种已知的线粒体蛋白质，同时他们还自信地认为鉴定出了先前并不为人知的近500种蛋白质。很显然，Maestro项目也被证明能够从实验角度鉴定几种和人类线粒体疾病有关的基因，其中包括至少一种先前并未被鉴定为和线粒体有关的基因。

丹麦技术大学的S?ren Brunak及其同事，近来介绍了一种描述细胞器官蛋白质组学的替代性计算方法；他们使用生物信息学方法，预测核仁中的蛋白质复合体。开始时，他们以公开的交互数据为基础，构建了已知的人类核仁蛋白质的整体相互作用系统；接着，他们将每个公认的复合体和那些以几十种蛋白质特征为基础的单元-单元计算分析方法联系起来，以便预测对核仁定位的可能性。运用保守性参数，Brunak的研究小组很有信心地预测出了15个核仁复合体；其中的几个是他们预计中的，但从功能学的角度讲，其它的很多个都是出乎意料的，比如说DNA修复中的蛋白质。这项研究工作也揭示出了11个新发现的核仁蛋白质，它们由Brunak的合作者Matthias Mann提供的实验数据所证实，这一过程两人称之为逆向蛋白质组学。

两个研究小组都受益于对现有数据系列的精明处理。Mootha建议，更多的数据对未来的计算研究来说应该意味着更多的选择。“从更广的层面讲，”他说：“如果我们获得了不同类型的高质量的功能基因组学数据系列，要重建所有细胞器官的生物信息学将是可能的。”但是，两种方法也都例证了运用保守的剪切方法在去除垃圾数据和确保分析工作的可信性这两方面的价值。“绘制某些东西经常意味着要舍去很多信息；我认为，这就是我们工作中希望做到的，” Brunak说。“我们绝对不想浪费掉实验专家的珍贵时间！”