Science：利用基因相互作用图谱确定蛋白复合物的整体结构

2020年12月15日讯/生物谷BIOON/---生物学家最令人烦恼的任务之一是弄清楚蛋白---这些承担细胞工作重任的分子---是如何完成它们的工作的。每种蛋白的表面都有各种旋钮、褶皱和裂缝，决定了它能做什么。科学家们可以相当容易地在单个蛋白上可视化观察这些特征。但蛋白并不是单独行动的，科学家们还需要知道蛋白在一起工作时形成的复合物的形状和组成--他们称之为

2020年12月15日讯/生物谷BIOON/---生物学家最令人烦恼的任务之一是弄清楚蛋白---这些承担细胞工作重任的分子---是如何完成它们的工作的。每种蛋白的表面都有各种旋钮、褶皱和裂缝，决定了它能做什么。科学家们可以相当容易地在单个蛋白上可视化观察这些特征。但蛋白并不是单独行动的，科学家们还需要知道蛋白在一起工作时形成的复合物的形状和组成--他们称之为结构。

有了关于蛋白复合物结构的精确信息，科学家们就有更大的机会设计出高效的药物来阻断或提高这种复合物的活性，从而达到治疗目的。他们还可以更好地预测突变如何可能破坏一种复合物并导致疾病。

但确定蛋白复合物的结构是一项艰苦的工作。每种复合物都是不同的，没有一个放之四海而皆准的方法来确定它们的结构，也没有什么手段可以加快这个过程。最重要的是，能够获得最精确结构信息的方法需要将蛋白复合物从其自然环境--细胞---中分离出来。因此，科学家们在观察结构时，会面临一个令人困扰的疑问：它是否真的反映了蛋白复合物的形状？它是否真的反映了蛋白复合物在细胞中的形状和工作机制？

归根结底，蛋白来自于基因，鉴于基因已经被证明比蛋白更容易处理，一些科学家正在寻找基因和快速增长的基因工具库来促进蛋白结构的确定。

如今，在一项新的研究中，来自美国格拉斯通研究所和加州大学旧金山分校的研究人员证实了一种大规模的系统性遗传方法确实可以获得可靠和详细的蛋白复合物结构信息。相关研究结果发表在2020年12月11日的Science期刊上，论文标题为“Genetic interaction mapping informs integrative structure determination of protein complexes”。
利用基因相互作用确定体内的蛋白复合物结构，图片来自Science, 2020, doi:10.1126/science.aaz4910。
论文共同通讯作者、格拉斯通研究所高级研究员和加州大学旧金山分校定量生物科学研究所主任Nevan Krogan博士说，“我们的技术使我们能够从活细胞中收集大量的结构数据，从而反映出蛋白在其正常环境中的工作方式，而不是在人工实验室条件下的工作方式。这在以前是不可能达到如此规模的，它应该会大大加快确定蛋白复合物结构的过程，包括那些用传统方法难以解决的蛋白复合物结构。”

这种方法建立在Krogan开创的一种名为基因相互作用图谱（genetic interaction mapping）的技术之上。它在活细胞中筛选数以千计的基因突变组合，并且在相对较短的时间内，可以揭示基因的蛋白产物在常见的细胞过程中起作用。Krogan和他的团队提高了这些筛选的分辨能力，并成功地在酵母细胞中确定了两种蛋白复合物的结构模型，在细菌细胞中确定了一种蛋白复合物的结构模型。

Krogan认为这种进步并不是取代其他确定蛋白结构的方法，而是一种重要的补充，是由加州大学旧金山分校教授Andrej Sali开创的一种名为“一体化建模（integrative modeling）”的策略的一部分。

Krogan说，“将我们筛选的蛋白复合物的遗传数据与其他的结构信息相结合，可提高我们模型的准确性。我们的研究突出了一体化建模的力量，以及将以完全不同方式收集的多个数据集结合在一起的价值。”

从酵母到人类细胞和疾病

蛋白是由氨基酸组成的。解读蛋白复合物的结构主要是要弄清当蛋白复合物组装时，哪些氨基酸最终会彼此靠近。大多数情况下，这是通过生物化学实现的。

相反，Krogan和他的团队依靠遗传学，并在他们的大规模筛选中观察蛋白复合物中的氨基酸如何表现。这个想法是，如果两个氨基酸彼此接近---比如说，在蛋白复合物表面的同一个旋钮或裂隙内---它们很可能在这种复合物中执行类似的功能。因此，在基因筛选中，预计这两个氨基酸会与相同的基因相互作用。但蛋白复合物确实是复杂的，不同的区域可能会相互影响或执行相似的功能。

论文共同第一作者、加州大学旧金山分校定量生物科学研究所研究员Hannes Braberg博士说，“因此，如果一种蛋白复合物中的两个氨基酸与相同的基因相互作用，那么它们可能会或可能不会彼此接近。但是，如果在1000种可能性中，它们与相同的50个基因相互作用，那么它们在这些蛋白复合物中彼此接近的可能性就会大得多。”

Krogan团队决定探索是否可以用这种推理来确定蛋白复合物在其天然环境--活的生长中的细胞---内的结构。

他们从两种叫做组蛋白H3和组蛋白H4的蛋白入手，这两种蛋白形成了一种很好理解的蛋白复合物。他们在酵母细胞中进行了筛选，并利用所得信息建立了组蛋白H3-H4复合物的结构模型。

Braberg说，“我们获得的结构与现有的关于这种蛋白复合物的数据一致。而且我们的方法的性能与常用的生物化学方法相当，这很了不起，这是因为基因相互作用的数据纯粹是基于观察细胞生长的好坏！”

他们的方法的成功并不局限于H3-H4复合物，这是因为他们在另外两种蛋白复合物中也得到了类似的结果：一种是酵母中的，另一种是细菌细胞中的。这预示着这种方法可以广泛应用于更多的蛋白复合物，特别是那些不容易被传统技术研究的蛋白复合物，比如它们被嵌入到其他细胞成分中，或者体积过大或寿命过短。

Krogan说，“CRISPR-Cas9基因组编辑的最新进展也应该使我们能够将我们的方法扩展到人类细胞。这种可能性为研究由基因突变或病原体引起的疾病开辟了令人兴奋的前景。”

将CRISPR与基因相互作用筛选相结合，Krogan和他的团队将能够精确地描述致病突变对蛋白复合物结构的影响，并确定与疾病相关的变化。他的团队最近利用基因相互作用筛选研究了病毒和人类细胞之间的界面。在这项研究的基础上，他们如今可以将特定的突变引入病原体的基因组中，并利用人类宿主蛋白的基因相互作用图谱来了解感染对活细胞的后果。

Krogan说，“这个项目始于15年前，它利用基因相互作用筛选为对蛋白复合物的结构理解提供信息。多年来，我们不断完善这种方法，并提高了它的威力，如今看到它能以前所未有的分辨率告知我们活细胞内发生的生物现象，真地很令人欣慰。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1.Hannes Braberg et al. Genetic interaction mapping informs integrative structure determination of protein complexes. Science, 2020, doi:10.1126/science.aaz4910.

2.Dong Wang. Using genetics to reveal protein structure. Science, 2020, doi:10.1126/science.abf3863.

3.A Genetic Shortcut to Help Visualize Proteins at Work
https://gladstone.org/news/genetic-shortcut-help-visualize-proteins-work