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大型蛋白质复合物如何在细胞中组装

由卡斯滕·韦斯(Karsten Weis)领导的以太坊研究人员小组开发了一种方法,使他们能够首次详细研究大型蛋白质复合物的组装过程。作为他们的案例研究,生物学家选择了最大的细胞复合物之一:酵母细胞中的核孔复合物。

细胞产生大量的蛋白质复合物,每种蛋白质复合物由许多单独的蛋白质组成。这些蛋白质复合物,例如核糖体,是调节细胞几乎所有维持生命的生物学功能的物质。

生物学家已经成功地确定了许多这些复合物的结构,但是到目前为止,关于单个蛋白质如何组装然后随时间变化的研究很少。迄今为止,常规方法已证明不足以研究细胞中这些反应所采取的确切过程,特别是在涉及大型复合物的情况下。

由Karsten Weis领导的一组ETH研究人员和苏黎世ETH生物化学研究所的研究助理Evgeny Onischenko现在正在提出一种新方法。他们的方法有可能以高的时间分辨率跟踪蛋白质复合物装配体的动力学,即使是非常大的装配体。该研究刚刚发表在《细胞》杂志上。

受到代谢分析的启发

ETH研究人员称其为新方法KARMA,它代表对大分子组装物中结合率的动力学分析,并且基于研究代谢过程的方法。研究代谢的科学家长期以来一直在其工作中使用放射性碳,例如,标记葡萄糖分子,然后这些细胞吸收并代谢。放射性标记使研究人员能够追踪葡萄糖分子或其代谢物出现的时间和地点。

“这种类型的研究激发了我们在探索蛋白质复合物组装过程中发生的反应中应用类似的原理,” Weis解释说。ETH研究人员在他们的方法中使用标记的氨基酸,这些氨基酸是蛋白质的基本组成部分,其中包含较重的碳和氮同位素。在培养酵母细胞时,研究小组将其轻质氨基酸替换为较重的氨基酸。酵母在蛋白质合成中使用这些重氨基酸,这会改变所有新产生的蛋白质的分子量。

复杂建筑的时间尺度

为了分离蛋白质复合物,研究人员要定期从培养物中取出酵母细胞,并采用质谱法测量具有较重氨基酸的分子与不具有较重氨基酸的分子之间的微小重量差。这表明复合物中蛋白质的年龄。基本上,蛋白质越老,将其掺入复合物中的时间越早。基于这些年龄差异,研究人员应用动力学状态模型最终重建了给定蛋白质复合物的精确组装序列。

作为一个案例研究,以验证他们的方法,韦斯和他的团队选择了核孔复合体在酵母细胞。这种结构具有约500到1,000个元素,由大约30个不同的蛋白质以多份副本组成,因此使其成为已知的最大的蛋白质复合物之一。

ETH生物化学家们使用KARMA获得了将哪些模块整合到结构中以及何时整合的详细地图。他们的发现之一是等级原则:单个蛋白质在很短的时间内形成亚基,然后以特定的顺序从中心组装到外围。

耐用的脚手架

韦斯说:“我们首次证明,某些蛋白质在孔复合体的组装中很快被使用,而另一些蛋白质仅在大约一个小时后才被掺入。这是一个非常长的时间。” 酵母细胞每90分钟分裂一次,这意味着几乎需要整整一代人才能完成该重要孔复合物的组装。确切地讲,为什么新的孔的组装相对于酵母的繁殖周期要花这么长时间呢?

ETH研究人员还表明,一旦完成了孔的组装,复合物的各个部分就高度稳定和耐用-例如,在内部支架中,几乎没有任何成分在其使用寿命内被更换。相反,经常会替换核孔复合体外围的蛋白质。

核孔不良促进疾病

核孔是细胞中一些最重要的蛋白质复合物,因为它们负责细胞核与细胞质之间物质和分子的交换。例如,它们将信使RNA从细胞核转运到细胞核外的细胞机制,这需要这些分子作为新蛋白质的蓝图。

此外,核孔在人类疾病中起直接和间接的作用。因此,核孔及其蛋白质的变化会影响诸如白血病,糖尿病或神经退行性疾病如阿尔茨海默氏病等疾病的发展。韦斯说:“总的来说,为什么孔缺陷会导致这些疾病的原因尚未得到很好的了解。”他解释说,KARMA将来可能有助于更深入地了解此类问题。

多功能平台

“尽管在这项研究中我们仅将KARMA应用于一种蛋白质复合物,但我们对其未来的应用感到兴奋。我们的方法现在使我们能够破译整个生物过程的序列,” Weis说。他们的技术可以用于例如研究在病毒(例如COVID-19)的感染周期中发生的分子事件,并可能有助于寻找打破该周期的新候选药物。

该新方法还可以应用于蛋白质以外的其他生物分子,例如RNA或脂质。

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