PNAS:新观点挑战传统技术 并不是低温就好

【字体: 时间:2011年10月27日 来源:生物通

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  来自加州大学伯克利分校,SLAC国家加速器实验室等处的研究人员提出了与传统技术观点不同的见解,认为常温下的X射线延伸技术获得的蛋白结晶结构分析数据更加可靠,他们比对了多种不同蛋白的不同温度分析数据,提出常温中获得的X射线衍射数据能更好的分析蛋白的催化机制和功能。这一研究成果公布在《美国国家科学院院刊》(PNAS)杂志上。

  

生物通报道:来自加州大学伯克利分校,SLAC国家加速器实验室等处的研究人员提出了与传统技术观点不同的见解,认为常温下的X射线延伸技术获得的蛋白结晶结构分析数据更加可靠,他们比对了多种不同蛋白的不同温度分析数据,提出常温中获得的X射线衍射数据能更好的分析蛋白的催化机制和功能。这一研究成果公布在《美国国家科学院院刊》(PNAS)杂志上。

蛋白X射线结构分析方法是一种重要的结构生物学分析方法,一般步骤为提纯蛋白质,溶解于合适溶剂中,然后使溶液过饱和,最后晶核形成,获得蛋白结晶,在这其中,温度变化很重要。

现代蛋白X射线衍射分析所获得的数据几乎完全基于低温X射线结晶方法获得的数据——通常温度为100K。这主要是因为一般认为低温对于整个蛋白骨架折叠的干扰少,所以低温造成结构分析结果功能上的偏差少。

但是在这篇文章中,研究人员提出了一个相反的观点:他们通过比对30种不同蛋白,在低温和常温溶液中结晶结构的X射线衍射数据,发现冷却这一常见步骤会减少蛋白结构动力学分析数据,比如说这个步骤不能揭示氨基酸侧链的构型,这说明常温中获得的X射线衍射数据也许能更好的获得蛋白的动力学数据,和底物相关数据,这对于了解蛋白的催化机制和功能具有重要的意义。

而且常温下获得的蛋白结晶结构数据还能分析信号开关蛋白,H-Ras,以及变构网络(allosteric network),这些低温条件下都无法获得。这些数据都表明常温下进行X射线结晶能揭示更多有关催化,配基链接,以及变构调控的蛋白信息。

在分析蛋白结构方面,除了X射线结晶这一重要方法外,近年来也有研究人员将这一方法与其它方法结合,提高所获得数据的准确性和多样性。

比如科学家们就结合X-射线晶体衍射和低温电子显微镜两种方法获得的数据,利用柔性装配分子动力学(moleculardynamicflexiblefitting,MDFF)的方法进行分析。由于X-射线晶体衍射只能获得静态的单个分子的高分辨率图片,而低温电子显微镜能获得两个或多个分子动态相互作用的低分辨率的图片,因此将这两者结合起来,就能更好的了解蛋白的活动。研究人员利用这种方法就揭示了核糖体装配蛋白质过程。

(生物通:万纹)

原文摘要:

Accessing protein conformational ensembles using room-temperature X-ray crystallography

Modern protein crystal structures are based nearly exclusively on X-ray data collected at cryogenic temperatures (generally 100 K). The cooling process is thought to introduce little bias in the functional interpretation of structural results, because cryogenic temperatures minimally perturb the overall protein backbone fold. In contrast, here we show that flash cooling biases previously hidden structural ensembles in protein crystals. By analyzing available data for 30 different proteins using new computational tools for electron-density sampling, model refinement, and molecular packing analysis, we found that crystal cryocooling remodels the conformational distributions of more than 35% of side chains and eliminates packing defects necessary for functional motions. In the signaling switch protein, H-Ras, an allosteric network consistent with fluctuations detected in solution by NMR was uncovered in the room-temperature, but not the cryogenic, electron-density maps. These results expose a bias in structural databases toward smaller, overpacked, and unrealistically unique models. Monitoring room-temperature conformational ensembles by X-ray crystallography can reveal motions crucial for catalysis, ligand binding, and allosteric regulation.

 

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