施一公团队解析出超复杂蛋白结构

为多囊肾病临床治愈提供分子机制

2018年08月14日08:57  来源:科技日报
 

8月10日,《科学》杂志在线刊发施一公团队研究成果,首次解析了人源多囊蛋白1与多囊蛋白2形成的复合物的结构,分辨率达到3.6?(埃,相当于10-10米)。

人体内多囊蛋白的突变会引发多囊肾病,每千人中大约有1—2.5人患病,算比较常见。2003年一篇题为《常染色体显性遗传性多囊肾病研究的热点问题》的论文中显示,该病的研究热点在于致病基因表达产物,即多囊蛋白1和多囊蛋白2的结构与功能、亚细胞定位等,这样可阐明多囊肾病的分子发病机制,有望实现临床彻底治愈。

15年后,该蛋白家族的精细结构终于解出,完成“忘年问答”。识得该蛋白家族的“庐山真面目”难在多囊蛋白1拥有4302个氨基酸,包含11次跨膜螺旋,是一个超复杂的蛋白;同时多囊蛋白1与多囊蛋白2还会复合,增加了结构的复杂性。

系统摸索,获得足够的测试用量

“解析蛋白质结构的第一步是获得足够量且性质均一的蛋白质。”8月11日,论文作者之一的王廷亮博士告诉科技日报记者,“上镜”前的准备工作耗时5年。

对于结构生物学家来说,测试蛋白经常在量上“捉襟见肘”。蛋白质为人源蛋白,很难直接从人体组织中富集提取而出。研究团队通过已知的基因序列将基因在原核生物中(例如大肠杆菌)进行克隆,获得大量基因拷贝后,通过病毒侵染的方法转入到常用的工具细胞中进行表达,富集目标蛋白质。

为了让外来基因在“新环境”中表达,研究组进行大量重复性工作,为目标基因(PKD1和PKD2)寻找最优的表达系统。“如通过基因编码的优化,可提高蛋白的表达量,从而拿到体外重组蛋白质。”王廷亮说。

此时,目标蛋白仍旧在细胞中,下一步是将目标蛋白从复杂的细胞中“钓”出来。大量的提取条件摸索,如尝试和筛选了大量的去垢剂、确定蛋白边界等,才能形成“不错杀一个、不漏网一千”的数量和质量上的平衡。最终,课题组获得了珍贵稀少的目标蛋白。“50升的细胞只能提取出100微克左右蛋白,只够完成3—5次‘上镜’制备,符合电镜数据收集要求的样品往往只有1到2个。”王廷亮说。

蚂蚁搬家,“反推”出高精度三维结构

冷冻电镜通过发射电子、并测定电子通过蛋白质分子后轨迹变化的方式,达到蛋白质结构A级精度地呈现。其每次扫描的视域非常狭小。因此,蛋白“上镜”后,需要长时间运转和巨量信息处理。对于超大结构的蛋白质来说,研究者将收集到倍数增加的大量数据,再通过计算进行结构的再现。

整个蛋白质三维结构的成型犹如蚂蚁搬家,在获得大量多角度二维图片后,由后期的三维重建系统对图片数据进行计算和重构,并通过可视化系统形成蛋白质三维结构的示意图。

通过冷冻电镜扫描,施一公团队获得了多囊蛋白1和多囊蛋白2形成的独特一比三复合物结构,并对该结构和生化数据进行了进一步分析。

“面目”清晰,提出多囊肾发病机制新观点

蛋白复合物的清晰面目为假说给出了“铁证”或“反证”。研究团队发现了与当下主流学术观点相悖的多个现象。论文第一作者宿强解释,“多囊肾研究领域内对这两个蛋白是否形成钙离子通道一直存有争议,解析结构不支持复合物为钙离子通道的假说。”

该复合物结构也刷新了结构生物学家对电压门控离子通道类似折叠“长相”的认识。之前报道的大多数离子通道类似折叠结构或者是同源四聚体,或者是单链的假四次对称体,这个却是两个蛋白组成的一比三的复合物。

“有意思的是,其中一个蛋白自己单独也能形成四聚体。这种独特的结构意味着不同的工作机理和调控方式,丰富了结构生物学家对电压门控离子通道类似折叠蛋白组装的理解。”宿强说。

15年前“出题”的论文中猜测多囊蛋白1和多囊蛋白2的“协作”模式有4种,随着结构的清晰,这些假设将很快有明确答案,给多囊肾病的机制研究带来有益的参考。(记者 张佳星)

(责编:姜虹羽(实习生)、熊旭)

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