研究绘制蛋白质相互作用图像了解疾病起因

人类相互作用组:每一点都是蛋白质，每一条线都是相互作用。

资料来源:安德鲁·加洛

1987年，瑞士研究人员描述了两个分开出生但有相似异常的姐妹。他们的小脑失去了一圈组织，心脏也出现了孔洞和裂缝。其中一人在心脏手术后三岁时死亡。她的姐姐在四岁时接受了类似的手术，但幸存了下来。因为两个女孩的父母都没有这些异常，研究人员得出结论，他们的女儿遗传了一个非典型基因的两个拷贝，导致了以前未知的症状。

与女孩症状相关的核苷酸异常可能存在于单个基因中。然而，其他几个基因也随后与这个基因联系在一起，被称为“里舍尔-辛泽尔综合征”。多年来，这些基因的功能以及它们如何与综合症相关联一直是个谜。

今天，由于对蛋白质-蛋白质相互作用的系统研究，这些分子基础已经成为关注的焦点，这是一门被称为“相互作用组”的学科。通过绘制蛋白质之间的连接网络，三个研究小组独立地发现了一种叫做“指挥者”的化合物，它由突变基因产生的蛋白质组成。“指挥官”是一个重要的细胞组成部分，可以分类和传递蛋白质。其功能障碍将导致具有严重缺陷的利舍-辛泽尔综合征。

在过去的三年里，研究小组已经发布了第一批高质量的人类相互作用组织化学图像。这些图像的最新合成已经确定了大约93，000种独特的蛋白质-蛋白质相互作用。这并不容易:捕捉所有的相互作用是一个挑战，因为一组蛋白质伴侣会随着不同的组织、细胞甚至时间而改变。互动群体是动态的，随着细胞对环境的反应，它会分解或形成。完整地描绘它可能需要思考系统生物学的新方法和手段。然而，这一领域仍在产生成果。

数字游戏

有两种主要的方法来构建交互组图。酵母杂合性分析通过结合基因表达和细胞内蛋白质的相互作用来测试蛋白质对之间的相互作用。第二种方法通过分离与抗体的复合物，并用质谱仪鉴定它们的成分，得出直接和间接的蛋白质接触。

奥斯汀德克萨斯大学的系统生物学家爱德华·马科特的实验室采用了基于第二种方法的改变，包括蛋白质的生物化学分离(例如，使用蔗糖浓度梯度)来观察哪些分子倾向于保持在一起。由此产生的图像让马科特和他的实验室博士后研究员安娜·马拉姆推断出“指挥官”复杂的细胞角色这些数据和其他发现表明，“指挥官”将特定的蛋白质从细胞膜转移到一个叫做高尔基体的空间，在那里它们被循环利用。

目前，最大的图谱包含成千上万的蛋白质，它们更像缠结的毛球，而不是放射状的爆发。通过解开这些基因，研究人员可以识别出区别癌基因和“正常”基因的特征，还可以定义关键的生物学过程，如细胞分裂过程中的染色体分离。

马萨诸塞州波士顿达纳-费伯癌症研究所的计算生物学研究员卡佳·勒克(Katja Luck)说，即使有多种方法，互动群体图“仍然不完整”。这是一个关于数字的问题。人类基因组包含大约20，000个蛋白质编码基因。如果假设每种蛋白质只有一种形式(过于简化的情况)，那么大约有2亿种可能的相互作用。实际数字可能要小得多，因为许多交互是间接的，一对一的交互范围估计在120，000到100万之间。

从生物化学的角度来看，蛋白质的多样性是不可思议的，所以它们之间的相互作用不可能被每个实验捕捉到。"我们刚刚开始理解不同方法的偏差."运气说。

核酶

勒克是马克·维达尔实验室的博士后研究员。Vidal的最终参考图可能只包含所有潜在交互的子集。细胞和组织的变化以及改变细胞的反应累积成所有相互作用组的许多可能版本。对德国马克斯·普朗克生物化学研究所的生物化学家马蒂亚斯·曼来说，这些变化令人生畏。然而，他对基因编辑技术(如CRISPR-Cas9)解决这些问题的能力持乐观态度。

曼恩的作图方法包括一个表达数百种蛋白质的细胞系库，通过一种叫做轨道阱的超高分辨率质谱仪进行测试。诱饵蛋白与绿色荧光蛋白融合，产生一个光度图谱，让研究人员通过活细胞成像量化相互作用。他说，在21世纪的第一个十年后期，创建细胞库“相当费力”。"现在，由于CRISPR基因工程技术，我们的新方法获得了成功."

自2010年引入量化方法以来，曼恩的团队已经绘制并量化了超过28，000个交互。具有一对一比例的蛋白质对的相互作用被认为是“强的”，并且可能存在于稳定和丰富的复合物中。曼恩解释说，没有这些信息，“很难说这个网络的结构是什么。”对他的团队绘制的地图的分析表明，人类相互作用组由弱关联主导，这可能反映了低丰度调节蛋白对更稳定的蛋白机器的影响。

微调

该领域的总趋势是采用相对温和的样品制备方法，其目的是真正捕获细胞中所有的蛋白质-蛋白质相互作用。"我们正试图找到一种破坏性较小的方法。"加州圣何塞的生命科学公司Thermo Fisher Scientific的生物化学家罗莎·维纳说。该公司致力于改进样品制备、工作流程和质谱技术，以帮助研究人员识别细胞中的相互作用。“这是最困难的挑战:找到一种没有任何人为现象的获取最佳照片的方法。”她补充道。

人工现象包括在相互作用被检测到之前分解的蛋白质复合物。为了将这些复合物结合在一起，Viner与加州大学欧文分校的研究人员合作，在质谱分析之前将这些复合物进行化学融合，这种方法被称为交联。开发了一种称为QMIX(多重化，用等比重标记的交联肽的定量)的策略，该策略可以将交联化合物与化学标记结合起来，从而使研究人员能够稳定和跟踪蛋白质复合物。

好的分析会考虑到任何给定方法的盲点。"仍然有一些蛋白质类型非常具有挑战性."波士顿哈佛医学院的细胞生物学家韦德·哈珀说:“当进行高通量分析时，你只限于对单个蛋白质的关注程度。”这种分析通常对每个反应进行相同的处理，几乎没有定制的空间。

哈珀和哈佛同事史蒂文·吉创建了一个实验室小组来调整他们的方法。“我们的团队相对较小，只有4到6个人，每个月可以创造400到500个细胞系。”他说。迄今为止，这些努力通过单一渠道产生了最大数量的人类蛋白质复合数据集。他们的声谱图被称为“生物复合物”，包含大约120，000种相互作用。

更大的图片

然而，为了更仔细地观察这些相互作用，研究人员必须深入研究细胞自身的充血。加拿大多伦多的大学化学家安妮-克劳德·金格拉斯(Anne-Claude Gingras)使用了一种叫做生物芯片(BioID)的技术，这种技术根据蛋白质的接近程度将蛋白质与另一种蛋白质连接起来。相关的标记蛋白质会给附近的蛋白质添加化学标记，留下它们相互作用的证据——就像一个蹒跚学步的孩子在经过一个房间时挥舞着一支彩色笔留下的标记一样。结果是最初蛋白质周围物理邻居的图像。金格拉斯解释说，识别一个更大的蛋白质群体可能会揭示其细胞功能的细节。

近距离成像还能让研究人员追踪在其他测试中找不到的蛋白质，例如难以分离的膜嵌入蛋白质。金格拉斯说:“我们和其他研究人员研究了核染色质上的蛋白质，绘制了中心体的组织图，并检测了各种膜之间的相互作用。”通过使用BioID，该团队发现了一种信号通路中的新成分，这种信号通路在发育过程中调节器官大小。

利平科特-施瓦茨说，这个相互作用小组是细胞生物学家的“假设生成器”。“一旦你看到一种已知的蛋白质与大量你不知道其功能的蛋白质相互作用，你就开始测试。”随着交互群图像最终被高质量和丰富的交互所丰富，研究人员将能够开始测试这些假设。(晋南编)

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