Nature methods:快速解析膜蛋白的新技术

【字体: 时间:2012年05月31日 来源:生物通

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  来自萨克生物研究学院的科学家们开发了一种可快速解析称作整合膜蛋白(integral membrane proteins,himps)的一类特殊蛋白质三维结构的新技术,由于这类蛋白存在细胞表面是目前大约一半上市药物的作用靶点,新技术或可为新治疗提供更精确的靶标并加快药物发现。相关研究论文发布在5月20日的Nature Methods杂志上。

  

生物通报道  来自萨克生物研究学院的科学家们开发了一种可快速解析称作整合膜蛋白(integral membrane proteins,himps)的一类特殊蛋白质三维结构的新技术,由于这类蛋白存在细胞表面是目前大约一半上市药物的作用靶点,新技术或可为新治疗提供更精确的靶标并加快药物发现。相关研究论文发布在5月20日的《自然方法》(Nature Methods)杂志上。

知道hIMPs的的确切三维形状使得药物开发人员能够更深入地了解当前药物作用的精确生物化学机制,从而开发出能够靶向这些蛋白质的新药。

文章的主要作者、萨克生物研究学院结构生物学实验室教授Senyon Choe 说:“我们的细胞中包括有大约8000种这样的蛋白质,然而多年来结构生物学家们已经知道三维结构,在整个领域中报道了的只有30种hIMPs。我们利用这一新技术在几个月内解析了超过6种hIMPs。关于人类膜蛋白形状的信息非常有限,阻碍了结构驱动的药物设计,我们的方法应该可以帮助解决这一问题,大大增加已知hIMP结构库。”

整合膜蛋白附着在细胞膜上,作为吸收营养物、激素和药物,清除废物的通道,使得细胞能够与环境沟通。大量的疾病,包括阿尔茨海默氏症、心脏病和癌症都与功能失常的hIMPs有关,从阿司匹林到精神分裂症药物等大量的药物都是靶向这些蛋白。

大多数的现有药物被发现都是通过蛮力的方法在实验室研究中筛选成千上万的潜在分子以确定它们是否具有治疗效应。给出与特殊疾病相关某个hIMP的三维结构蓝图,药物研发者们就可以集中在最有可能与靶向hIMP互作的分子上,节约时间和成本。

过去由于难于从细胞中收获hIMPs,也不易标记组成蛋白质的氨基酸(确定三维构象的一个关键步骤),因此解析hIMPs的结构是一件非常困难的事情。

“其中一个问题在于hIMPs在细胞中具有许多功能,因此如果你试图操纵细胞让多拷贝的hIMPs蛋白在细胞膜上,在你能够收获hIMPs之前细胞就会死亡,”文章的第一作者、Choe实验室博士后研究人员Christian Klammt说。

为了解决这一问题,科学家们构建了一个细胞外环境,称为无细胞表达系统来合成蛋白。他们利用了一种包含制造hIMPs所必需的生物化学元件的树脂玻璃槽。这一系统为研究人员提供了足够进行结构分析的蛋白质。

这种无细胞技术也使得研究人员能够轻易地将标记的氨基酸加入到生物化学混合物中,随后掺入到蛋白质中。当用核磁共振波谱法分析时,这些氨基酸会提供指示性的结构线索。核磁共振波谱法是一种利用原子的磁性确定分子的物理和化学特性的方法。

文章的共同第一作者、萨克生物研究学院研究员Innokentiy Maslennikov 说:“将标记的氨基酸导入活细胞生成的蛋白质中是非常困难和效率低下的。利用无细胞系统,我们能够精确控制哪些氨基酸可用于蛋白质生产,给予了我们大量同位素标记的hIMPs。利用一种专有的标记策略我们设计了一种方法减少了需制备样品的数量。”

先前的方法可能需要一年的时间来确定一个蛋白质的结构,但是使用他们的新方法,萨克生物研究学院的科学家们在18个月确定了6个hIMPs的结构。他们已经鉴别了超过38种hIMPs适合于用他们的技术进行分析,并预计将用于解析更多的结构。

(生物通:何嫱)

生物通推荐原文摘要:

Facile backbone structure determination of human membrane proteins by NMR spectroscopy

Although nearly half of today's major pharmaceutical drugs target human integral membrane proteins (hIMPs), only 30 hIMP structures are currently available in the Protein Data Bank, largely owing to inefficiencies in protein production. Here we describe a strategy for the rapid structure determination of hIMPs, using solution NMR spectroscopy with systematically labeled proteins produced via cell-free expression. We report new backbone structures of six hIMPs, solved in only 18 months from 15 initial targets. Application of our protocols to an additional 135 hIMPs with molecular weight <30 kDa yielded 38 hIMPs suitable for structural characterization by solution NMR spectroscopy without additional optimization.

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