确定蛋白质结构的新技术可能解决生物医学难题

Dana-Farber数据科学系cBio中心主任Chris Sander博士说：“蛋白质是细胞中的工人，了解其形状非常重要。”桑德(Sander)和他的同事们现已展示了一种强大的“实验进化”方法，可以发现蛋白质形状和功能的细节，并且该方法可能会在非常广泛的生物医学研究中找到用途。

哈佛大学医学院细胞生物学教授，共同资深作者桑德说：“这是分子进化生物学的一项基本发现，并可能应用于癌症。”桑德在《细胞系统》杂志上对这项工作进行了描述。

在其潜在的应用中，“ 3Dseq”技术可能有助于确定尚未通过其他方法鉴定的癌症相关蛋白质的三维结构。这项新技术还可能有助于理解癌基因和抑癌基因在癌症中的发展，并查明那些基因中的哪些突变有助于疾病的进展。

数十年来，分子生物学家已经知道蛋白质在细胞中发挥功能的能力取决于其适当的形状，该形状由其组成氨基酸的顺序决定。但是，确定蛋白质的三维结构需要复杂的实验技术。

早在2011年，桑德(Sander)与哈佛大学副教授Debora Marks和其他同事合作，在使用基于进化的数学方法预测蛋白质结构的挑战方面迈出了一大步。“自然进化”方法始于分析特定蛋白质的遗传序列如何在数百万年中发生变化。为此，研究小组检查了整个进化过程中蛋白质的序列-从古老的物种(例如细菌)到最近进化的物种(例如小鼠和人类)。

早期研究的关键见解是，该团队使用计算方法通过观察跨进化步调变化的氨基酸来识别蛋白质中的哪些氨基酸相互作用。桑德说：“我们关注的事物是千差万别的，如果一件事物的顺序发生变化，另一件事物也会发生变化。”“这就像一个螺母和一个螺栓-如果您更改一个零件，则必须更改另一零件，以便它仍然适合。”他和他的同事提出了一个基本的数学技巧，可以发现对蛋白质结构有直接影响的氨基酸变化，并提供关键信息，这些信息可以从分子物理学输入到现有算法中以计算结构。

但是，并非所有蛋白质都可以使用自然进化中发现的序列进行研究。Sander小组的最新创新是将进化引入实验室，在此过程中，可以严格控制该过程，而不是数百万年，而是数周的时间。

Dana-Farber研究科学家Michael Stiffler和Frank Poelwijk是该项目的新论文的主要共同作者，而Nicholas Gauthier是该项目的新论文的共同主要作者，这是确定蛋白质结构的实验性进化方法的首次大规模演示。 。

科学家们从大肠杆菌的一种酶的基因开始，这种酶使细菌对一种普通的抗生素具有抗性。首先，他们产生了数百万个原始基因的拷贝，这些突变散布在各个位置，然后将这些突变的基因放入数百万个细菌中。然后他们将抗生素放入装有细菌的实验室培养皿中，并收集存活下来的细菌。这些存活的细菌具有功能性抗生素抗性基因，但仍包含选定的突变。重复了许多艰苦的过程，以模仿与自然进化类似的进化过程。桑德说：“在数以千万计的蛋白质中，我们最终得到了数十万个有效的蛋白质。”

使用2011年研究中率先的计算策略，他们得出的数据生成了两种截然不同的抗生素抗性蛋白质的3D蛋白质结构，其形状与X射线晶体学测定的形状非常相似。

3Dseq实验演进将结合三项现有技术来揭示蛋白质结构：X射线晶体学，对结晶的蛋白质进行X射线照射;核磁共振(NMR)光谱，基于类似于磁共振成像(MRI)扫描的物理原理;以及冷冻电子显微镜，可以用电子显微镜扫描冷冻的标本。

Sander说，一旦成熟，3Dseq技术可能会为蛋白质结构测定带来两个主要优势。首先，三种现有方法并不总是适用于蛋白质。其次，3Dseq提供了蛋白质功能所需的复杂蛋白质形状中关键相互作用的详细信息。他说，这种能力最终可能被证明对于细胞生物学中的许多应用非常重要，从了解病原体如何进化到加速生物疗法的发展。

他的小组及其合作者已开始努力改进3Dseq筛选技术，并推广该技术与其他蛋白质一起使用。他们的论文连同其序列数据和软件工具一起发表。桑德说：“我们将与其他人合作开发检测方法，以使其更广泛地应用于目标蛋白质。”“无论开发什么，我们都将公开提供。”

他补充说：“这项研究显示了达纳-法伯和哈佛医学院积极，开放的科学文化，以此作为基础科学的典范，将推动癌症研究的发展。”这项工作的牵头资金来自达纳-法伯(Dana-Farber)和美国国立普通医学科学研究所。

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