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高速原子力显微镜处理固有紊乱的蛋白质

我们对生物蛋白质的了解并不总是与它们的普遍性或重要性相关。在蛋白质中有一半是在细胞过程中起着不可或缺的作用的分子,其本质上是无序的,这意味着探测生物分子的许多标准技术都不适用于它们。现在,日本金泽大学的研究人员已经表明,他们自己开发的高速原子力显微镜技术不仅可以提供有关这些蛋白质结构的信息,还可以提供有关其动力学的信息。

了解蛋白质如何组合在一起可为其功能提供有价值的线索。1930年代和1950年代,蛋白质晶体学的发展首次使人们看到了几种蛋白质结构,但是逐渐变得明显的是,很大一部分蛋白质缺乏单一的固定结构,这使得它们对于X射线晶体学来说是难以处理的。由于它们太薄,无法进行电子显微镜检查,许多这些内在无序蛋白(IDP)的唯一可行替代方法是核磁共振成像和小角度X射线散射。从这些技术中收集的数据是整个集合的平均值,因此无法清楚地表明单个蛋白质构象或它们出现的频率。另一方面,原子力显微镜可以高速进行纳米分辨率的生物成像,因此它可以捕获动力学以及蛋白质结构。

在金泽大学的这项最新研究中,日本,法国和意大利的合作者将这项技术应用于几种IDP的研究中,并确定了定义蛋白质区域的形状,大小和链长的参数以及与蛋白质大小有关的幂律。蛋白质长度,以及云母表面对蛋白质尺寸影响的定量描述。由于该技术的高速能力,捕获的蛋白质构象的动力学揭示了小球的出现和消失,以及完全无结构的构象和松散折叠的构象之间的转换,最长可达160个氨基酸。

对麻疹病毒核蛋白的研究不仅有助于鉴定形状和尺寸,而且有助于鉴定负责分子识别的区域中有序-无序过渡的特征,从而使病毒能够鉴定宿主因子,从而使其得以繁殖。他们还可以确定核磁共振无法访问的病毒磷蛋白的较大比例结构(这只能表明间隔小于2 nm的氨基酸之间的距离)。研究人员认为,观察到的某些紧凑形状的形成可能解释了对蛋白水解的抵抗力-蛋白质分解。

在他们的工作报告中,研究人员强调,它本身就是一个强大的工具,“当HS-AFM揭示的所有分子特征与NMR给出的折叠局部结构结合在一起时,结合的信息就可以进行定量描绘与单独描绘的图片相比,IDP的结构和动态特性具有更真实的表现,如针对PNT [麻疹病毒磷蛋白]所证明的。”

高速原子力显微镜

原子力显微镜是在1980年代开发的,它将通过扫描隧道显微镜(获得1986年诺贝尔物理学奖)获得的原子尺度分辨率应用于非导电样品。它使用末端带有纳米级尖端的微小悬臂来工作,该悬臂要么感觉像乙烯基记录针,要么敲击它。无论是通过调整笔尖的高度还是敲击的共振频率,笔尖和表面之间的相互作用都会提供一个可用于生成图像的信号。

尽管AFM图像为生物学研究带​​来了巨大好处,但当安藤俊雄(Toshio Ando)及其团队在金泽大学(Kanazawa University)报告高速运转的原子力显微镜时,这些研究又得以加速。原子尺度分辨率的图像成为电影,不仅带来了结构,而且带来了动态范围。先前对有序蛋白质的研究已经得到了很好的理解,而且IDP促进了染色质转录(FACT)蛋白质,已经确定该技术可用于对这些生物分子成像,而不会受到尖端与样品之间的接触而使数据失真的影响。

内在失调的蛋白质

X射线晶体学的到来使研究人员首次清楚地看到了大量生物分子结构。但是自从该技术在1930年代和1950年代首次使用以来,已经使用蛋白质晶体学分析了成千上万的生物分子结构,越来越多的证据开始证明并非所有蛋白质都具有单一的结构。这些观察结果与由固定结构决定的蛋白质功能的普遍范式背道而驰。

在过去的十到二十年中,这些内在无序的蛋白质的普遍存在及其在细胞功能中的重要性,从信号传导到转录调控以及随后的翻译,都已得到广泛认可。在当前的工作中,研究人员研究了IDP,包括多谷氨酰胺束缚结合蛋白-1(PQBP-1,参与不同的过程,例如mRNA的剪接,转录调节,先天免疫和神经元发育),自噬蛋白(参与去除含有内在无序区域(IDR)和麻疹病毒核蛋白的功能异常的细胞成分)。

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