Nature子刊突破性研究：破译胶原的密码

　　

生物通报道：胶原是连接细胞形成组织和器官的纤维状蛋白，人体是生产胶原的专家，而科学家们也一直希望能在实验室中合成这一物质。美国Rice大学的研究人员在胶原合成领域取得了重大突破，将有望帮助人们进行新药设计和研发。Rice大学的科学家们在成功合成胶原之后，展开了深入研究来分析胶原的结构和形成及其与生物系统之间的相互作用。

Rice大学的化学和生物工程学副教授Jeffrey Hartgerink及其学生Jorge Fallas开发了一个新计算机程序，能够预测纳米级胶原的最稳定结构。在自然界中，正是这些微小的胶原结构结合成链组成了机体的结缔组织。Hartgerink和Fallas根据他们的软件合成并测试了大量胶原。

他们的这项突破性成果于九月二十五日提前发表在Nature Communications杂志的网站上，这无疑会引起重建外科、化妆品和组织工程等领域研究者们的极大兴趣，同时也有助于人们探寻胶原蛋白的相互作用，为癌症及其他疾病寻求新的治疗方式。

“胶原是人体中丰度最高的蛋白，”Hartgerink说，他发现了自组装胶原的新合成方法。“这种连接性纤维的基本功能是将细胞联系在一起。”“从含量上来说，胶原是人体内最普遍的蛋白。但它与你所见到的其他蛋白都不一样，”他说。

Hartgerink将胶原的结构与DNA双螺旋进行了类比，“Watson和Crick在研究DNA时，发现了这些碱基对结合在一起的方式，”他说。“胶原的结构与DNA有些相似，只不过胶原由三条肽链组成。我们的这项研究就是旨在揭示氨基酸相互结合形成稳定结构的机制。”

对胶原结构感兴趣的科学家并不多，近来人们确定了越来越多的蛋白结构，但胶原蛋白的结构研究却落在了后面。实际上，胶原的特性使其能够成为颇有价值的生物支架原料，人们能够应用这样的生物支架来生产组织甚至整个器官用于医疗。“胶原所做的并不仅仅是将细胞联系在一起，”Hartgerink说。“它也能够与其他蛋白结合，承担特殊的功能。在这些蛋白与胶原结合后，细胞再与上述蛋白结合，在相互作用的基础上决定自身行为或者分化为另一种细胞类型。”

胶原蛋白的三条链必须要合理配置才能够具有功能，在这项新研究中Hartgerink和Fallas着眼于带正负电荷的氨基酸之间的相互作用，分析怎样的氨基酸排列才能使三条肽链形成三螺旋。

肽链结合的方式还决定了胶原螺旋的稳定性，Hartgerink说。Fallas和Hartgerink设计的计算机程序能够计算肽链结合的稳定性，在本研究中他们对27条肽链进行了排列组合，来寻找最佳的配对方式。改程序会基于整个螺旋所带的电荷给每种组合评分。他们已经将程序的源代码放在自己研究团队的主页上，共其他研究者尝试。

这项新成果还有望帮助人们破解胶原在癌转移中起到的作用。“癌细胞需要降解胶原才能从一个器官转移到另一个器官。要分析癌细胞是怎样做到这一点的，我们就得先了解胶原的结构，”Hargerink说。

（生物通编辑：叶予）

生物通推荐原文摘要：

Computational design of self-assembling register-specific collagen heterotrimers

The contribution of pairwise amino-acid interactions to the stability of collagen triple helices has remained elusive. Progress in this area is critical for the prediction of triple helical stability from sequences and the preparation of mimetic materials based on this fold. Here we report a sequence-based scoring function for triple helices that takes into account the stability conferred to collagen by axial lysine–aspartate salt bridges. This function is used to predict the stability of a specific register formed from three distinct peptide sequences and that of all alternative compositions and registers. In the context of a genetic algorithm we use it to select sequences likely to self-assemble with high stability and to the exclusion of the other 26 possible combinations. We validate our methodology by synthesis and structural characterization of the designed peptides, which self-assemble into a highly stable ABC triple helix with control over both composition and register.