蛋白质纳米低温电子显微镜提供了结构蓝图

在分子水平上,生物体的生理功能主要由蛋白质表达,而且在大多数情况下,故障蛋白质可以确定问题的根源。

与任何“破”或故障的对象,找到问题的根源和解决它,我们必须了解它是如何建造和导致其功能的单个组件。Cryogenic-electron显微镜(低温电子显微镜)可以伸出援手,帮助我们解读重要的结构生物学细胞蛋白质等机械。

我们采访了克里斯蒂娜Paulino在高分辨率的低温电子显微镜助理教授格罗宁根大学,了解低温电子显微镜在她的小组的工作中所起的作用对膜蛋白结构和功能的研究。

莫莉·坎贝尔(MC):为什么很重要知道膜转运蛋白的结构和理解机制?你通常什么特定类型的膜转运蛋白的研究,为什么?

克里斯蒂娜Paulino (CP):获得结构的见解是解开的作用机制的基础蛋白质。结合功能和生理数据时,我们可以详细了解这些蛋白质是如何运作的,以及它们如何出现故障的原因,疾病的原因是什么以及我们如何解决它。我喜欢比较蛋白质结构的蓝图组装机器。虽然遗传学和生物化学有助于理解蛋白质的生理作用是什么,结构生物学揭示这些纳米是什么样子以及它们是如何连接的。只有这样,我们才能理性地理解和使用这些知识来修复,工程师或阻止他们,例如,通过构建药物,只有符合这一特定的机器(基于结构的药物设计)。

我的研究重点是阐明蛋白质的作用机制中嵌入膜,专门的膜转运蛋白和通道。虽然高药理的相关性(> 60%的当前药物市场上目标膜蛋白),膜蛋白的structure-function-relationship了解甚少,需要一个跨学科的方法接口的生物学、化学和物理学。

虽然我的团队主要是由这些蛋白质是如何工作的基本问题,结果可能有额外的经济社会应用。这是我们的研究证明在人类ASCT2在人类细胞中,谷氨酰胺吸收的主要来源,与癌细胞的生长密切相关,病人生存和癌症治疗的一个新的热门目标。除了我们解开其传输机制的细节,我们与药用化学家合作确定新的抑制剂和指导基于结构的药物设计。其他研究模糊传统概念边界出现在古典传输机制。KdpFBAC复杂,紧急钾细菌吸收系统,例如,primary-active运输车的结合特性与渠道。TMEM16家族,成员可以作为calcium-activated氯通道或脂质scramblases,甚至两个。我们的研究证明在进化过程中,保守蛋白架构不仅从一个另一个进化而来的,可以合并在一起,以适应不同的环境和细胞的需求。

主持人:积分是如何低温电子显微镜你的工作吗?又有什么区别呢,你的团队的能力吗?

CP:在过去的几年中低温电子显微镜已经被证明是一个不可或缺的技术在结构生物学在x射线晶体学提供了几个优势,即只需要少量的蛋白质;(2)不限于蛋白质晶体的形成;(3)并不限于缓冲区组成和允许冻结之前构象变化的感应;(iv)不受到成分或构象异构性的样本,提供一窥结构动力学;(v)使低和高分辨率的确定结构;和(vi)许可的使用工具,模拟一个本地脂质环境,像nanodiscs。值得注意的是,在该决议获得低温电子显微镜与x射线晶体学,平均低于普通决议获得膜蛋白(约3 - 4个)类似。这些优势已被证明是解决几个关键的挑战在处理膜蛋白时,允许前所未有的研究,使低温电子显微镜通常选择的技术研究膜蛋白的结构。因此,低温电子显微镜是我集团的主要技术工作。

MC:什么是典型的时间表推导膜蛋白的结构使用低温电子显微镜吗?

CP:在一个完美的世界里与一个完美的样品,获得良好结合高端显微镜和一个强大的图像处理集群,几天内可以解决一个高分辨率的结构。然而,在现实中,特别是在处理具有挑战性的膜蛋白时,时间框架通常是几周和几个月。

主持人:您最近使用低温电子显微镜来确定TMEM16蛋白质家族的结构。在一次新闻发布会上,你状态,这种方法“允许你样品活性的动态结构”。你能扩大吗?为什么低温电子显微镜优于其他方法吗?

CP:低温电子显微镜的美景之一就是样品shock-frozen,保留所有构象出现在解决方案。这是在强烈的对比x射线晶体学,通过定义所有蛋白质晶体处于相同的状态,通常局限于一个大力支持构象。同时,我们能够应付构象异构性存在于低温电子显微镜图像图像处理的水平。因此,可以确定结构之一,代表不同的功能状态,从相同的样本的蛋白质在溶液中。在我们最近的工作在脂质scramblase TMEM16,我们能够获得的几个结构scramblase激活条件下。我们解释这些不同构象的快照逐步激活机制的蛋白质,和建议的一个中间状态可能负责的ion-conduction观察到一些TMEM16蛋白质。

主持人:存在任何限制使用低温电子显微镜在你的研究领域?如果是这样,如何克服这些限制吗?

CP:这极其令人兴奋的见证和速度多少低温电子显微镜已经发展在过去的几年中。虽然技术是不断重新定义其局限性和变得更加用户友好,我们仍然面临诸多挑战。而对于x射线晶体学访问能够全面运行和维护同步加速器束线主要是可用的和免费的,低温电子显微镜的整体成本和操作显微镜所需的专业水平一直是一个障碍。这在某种程度上,但不完全,由政府补贴的实施解决低温电子显微镜设施。

在我的小组中,我们有一个内部高端显微镜在我们处理,我们一定要彻底训练所有集团成员。其他的障碍包括访问和图像处理集群的成本,数据管理(几TBs的数据可以每天记录)和图像处理方面的专业知识。幸运的是,它与时间和成本下降的实现图形处理软件为了保持成本负担得起的。当然,样品制备有很多需要改进的地方(如所需的蛋白质数量更少,避免air-water-interface)和一些团体和公司处理这个问题。

最后,解决结构所需的总时间,限制在大小和分辨率,平均仍然强加一个挑战和阻碍高通量方法需要在基于结构的药物设计。这些问题被解决的更稳定的电子显微镜的结合,更好、更有效的电子检测相机和改善处理算法。

克里斯蒂娜Paulino莫莉坎贝尔说,科普作家、技术网络。188金宝搏备用