COVID-19将质谱在聚光灯下

COVID-19大流行带来了病毒学和疫苗研发坚定地成为人们关注的焦点。随着全球科学界竞相寻找药物和SARS-CoV-2病毒候选疫苗,它依赖于工具,可以快速解决病毒的结构以及它与人类宿主细胞蛋白相互作用。这些技术已经成为我们阿森纳的重要组成部分,对当前和未来的传染病。

关键的病毒学家的结构生物学工具箱的使用先进的质谱(MS),这一直是一个无价的资产与低温电子显微镜研究SARS-CoV-2(低温电子显微镜)。女士的方法可以用来研究蛋白质在个体层面和更大的复合体。在单个蛋白质水平,女士可以揭示蛋白质结构与配体的相互作用和转录后修饰(天车)的特点。对于大蛋白复合物,可以揭示女士见解蛋白质化学计量和确定参与蛋白质-蛋白质之间的关系(质子泵抑制剂)的接口。

研究病毒需要整合几个女士互补的技术。在本文中,我们审查的方法,可以解决关于病毒结构和功能的问题。

揭示病毒蛋白的结构和功能

女士的进步意味着现在有一个广泛的方法研究病毒的结构。例如,自下而上的蛋白质组学(包括蛋白水解消化的蛋白质分析女士之前)结合肽测序提供了主要的蛋白质结构信息,而且可以确定单个蛋白质的身份或多个蛋白质在大型复合体。另外,有限proteolysis-coupled女士在一个蛋白质(包括消化蛋白质含量较低的蛋白酶前女士分析)可以提供见解对单个蛋白质的高阶结构及其折叠状态。这两种方法都是强大的工具识别病毒蛋白在宿主细胞和了解他们的不同的结构和构象病毒穿过它们的生命周期。

另一个流行的工具女士对于理解蛋白质结构和功能是氢氘交换质谱(HDX-MS)。这个措施的同位素交换氢之间的蛋白质骨架和周围的溶剂,提供的信息结构和构象的变化单一蛋白质或质子泵抑制剂,以及洞察protein-ligand互动网站。

HDX-MS最近被用来评估同时绑定的潜在治疗性抗体对中和SARS-CoV-2飙升的受体结合域(RBD)的蛋白质。¹该技术成功地使研究人员组抗体基于RBD绑定模式。这是重要的目标是找到抗体绑定在独立的网站和治疗性抗体鸡尾酒的理想合作伙伴。

这些方法女士提供关于病毒蛋白质的基本结构信息。在下一节中,我们看看如何被用来揭示女士进一步见解对这些蛋白质来了解他们的潜在治疗靶点。


图1:SARS-CoV-2结构的图像显示的关键蛋白质进行了讨论。来源:热费希尔科学。

研究糖蛋白峰值

糖基化是一种人类天车真核细胞的蛋白质,因为大量的生理功能聚糖参与。糖蛋白也人类致病性病毒的主要组件之一,发挥关键作用的病毒与宿主细胞之间的相互作用。函数在宿主细胞进入他们理想的抗病毒药物和疫苗的目标。了解站点特定的糖基化模式在病毒蛋白,因此,至关重要的。女士可以用来研究糖基化网站大规模蛋白质组学水平和检查独特的个人病毒糖蛋白。

与其他冠状病毒一样,SARS-CoV-2病毒信封的三种蛋白质:蛋白质膜、信封和飙升。尖峰高度糖基化的蛋白质,在穿透宿主细胞中扮演着关键角色,开始感染,使其疫苗的主要目标。方法被用于女士的一些研究显示基本信息SARS-CoV-2糖蛋白,它支撑着我们今天COVID-19疫苗。

在这样的一个研究中,²研究人员使用nano-liquid色谱与质谱(nano-LC-MS)解决站点特定的糖基化的蛋白纯化重组SARS-CoV-2飙升。糖肤是分析了nano-LC-MS和多糖成分决定为所有22 N-linked突起蛋白聚糖的场所。研究人员结合低温电子显微镜结构揭示N-linked聚糖如何屏蔽某些地区的表面SARS-CoV-2飙升。这个屏蔽是病毒糖蛋白的特征,包括艾滋病毒和流感和定位保护有助于突出最保守区域和潜在的脆弱地区的病毒的结构。

在另一项研究中,³研究人员使用MS方法来描述特定场地的差异聚糖SARS-CoV-2峰值蛋白质和确定这些人类ACE2飙升之间的相互作用和影响。与女士先进技术的组合不同的蛋白水解作用策略揭示微观不均一性之间聚糖22个已知糖基化的网站。这些信息可以被映射到三维结构模型的SARS-CoV-2突起蛋白与靶ACE2在复杂的蛋白质有助于预测抗原决定基的可访问性和当前SARS-CoV-2病毒的免疫原性蛋白和新兴的变体。

这些研究说明结合详细的化学信息的力量从女士从低温电子显微镜分析与互补的3 d图像,提供深入的描述病毒糖蛋白的结构和功能。

描述病毒的分子机器

除了糖蛋白峰值,帮助病毒进入人体细胞,病毒也编码关键细胞机制一旦启用它们的宿主细胞内复制,组装新的病毒颗粒和感染更多的细胞。这些蛋白质的研究都是十分重要的对于理解病毒的生命周期和评估潜在的抗病毒治疗和疫苗的目标。

传统上,研究这些蛋白质的生理构造和与约束力的合作伙伴在复杂的挑战。但是,医学技术的进步导致了采用本地女士为研究完整的蛋白复合物在自然状态下,提供一个更准确的在生理条件下对结构和功能的理解。⁴这种方法已被用于描述两个SARS-CoV-2分子机械的重要组成部分——核衣壳蛋白⁵和主要的蛋白酶。⁶

SARS-CoV-2核衣壳蛋白是病毒的结构蛋白的免疫原性和参与病毒生命周期的几个阶段——从绑定和保护病毒基因组增强其转录。使用本机女士,研究人员已经能够描述完整的核衣壳蛋白的RNA绑定属性复杂的细节,包括核衣壳蛋白的形成产生最高的抗体反应使用恢复COVID-19患者恢复期的等离子体。⁵通过使用本机女士,他们可以确定蛋白质的组装状态时为二聚体或单体结合RNA在不同条件下。

SARS-CoV-2的主要蛋白酶(Mpro)中起关键作用处理从RNA病毒蛋白质翻译。本机女士被一个团队的功能单元的主要蛋白酶并确定二聚体单体形式的平衡,揭示对二聚体的强烈偏好和提供见解绑定关联。⁶这些数据可以用于后续筛选对Mpro抑制剂,为药物开发提供了一个起点。

这些蛋白质是非常可取的目标抗病毒药物的设计,,重要的是要了解函数的形式,反映他们的生理环境尽可能密切。这些例子显示本机女士的力量迅速提供详细的见解高蛋白质结构,和自然动力和行为。

图2:综合结构生物学示意图。来源:热费希尔科学。

揭示病毒和宿主蛋白质之间的相互作用

病毒依靠他们的能力与宿主细胞相互作用的蛋白质。有用的是,MS技术的主要优势之一是质子泵抑制剂的方法可以描述的范围。

例如,蛋白质水解耦合有限女士是一个简单、快捷的方法来确定精确的蛋白质残基相互作用:如果一个蛋白质绑定到另一个会使蛋白酶网站无法访问,提供接口的位置信息。

另一种方法是亲和纯化女士(AP-MS),它使用的特定约束力的分子分离蛋白质之间的相互作用的affinity-enrichment一步的兴趣。通过耦合亲和纯化定量女士,质子泵抑制剂可以在不同条件下进行了研究。这也可以扩展到研究天车如何促进质子泵抑制剂。AP-MS在药物使用再利用研究,⁷研究人员表示26个标记SARS-CoV-2蛋白质在人类细胞,然后确定与他们相关的蛋白质,身体。通过这种方法他们鉴定出332个质子泵抑制剂,其中66是制药,29日被批准药物的目标。这迅速使团队对SARS-CoV-2突出许多潜在的候选药物。

另一种方法来研究病毒和人类蛋白质之间的相互作用是交联女士(XL-MS)。在这种方法中,可溶性交联剂或photoactivatable用于交联氨基酸残基在接近。⁸然后这些交联蛋白消化成肽和分析了串联女士;可以结合其他可用数据结构信息模型蛋白复合物的形状。

一个UV-based XL-MS所使用的方法是一组映射SARS-CoV-2 RNA和人类宿主细胞蛋白质之间的相互作用。⁹他们使用反义RNA净化加上女士,它允许快速识别的蛋白质交互合作伙伴的一个特定的RNA分子。这使整个interactome SARS-CoV-2-human细胞的特征在一个单一的实验,确定了104蛋白的潜在治疗的重要性。

结论

理解结构,时间和空间复杂性的病毒-宿主质子泵抑制剂对现有发展新的治疗方法和疫苗至关重要病毒性病原体,和保护我们免受新兴的病毒可能导致未来的大流行。今天,一系列结构生物学工具更容易理解病毒蛋白质的结构、功能和动态。女士这个工具包是创新的核心技术,提供一系列的互补方法的传统结构生物学技术低温电子显微镜,x射线晶体学和诱变。开创性研究COVID-19大流行期间展示了强大的女士作为一个集成的一部分能够扮演的角色结构生物学工具箱病毒学和疫苗学。

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