原位真核細胞內(nèi)三維蛋白質(zhì)結構的原位測定

東京都立大學的研究人員成功地確定了真核細胞內(nèi)蛋白質(zhì)的高分辨率，三維結構。他們將“細胞內(nèi)”核磁共振(NMR)光譜，生物反應器系統(tǒng)和尖端計算算法結合起來，首次確定了擁擠的細胞內(nèi)環(huán)境中的蛋白質(zhì)結構。該技術有望深入了解致病蛋白的細胞內(nèi)行為和新型藥物篩選應用，從而可以原位觀察蛋白質(zhì)對生化刺激的反應。

真核細胞是許多生物的基石，包括所有真菌，植物和動物。它們的內(nèi)部結構非常復雜和多樣，具有錯綜復雜的結構層次和分布在細胞骨架網(wǎng)絡周圍的大量生物大分子。這使得很難看出細胞內(nèi)的每種蛋白質(zhì)在其天然環(huán)境中的作用，盡管知道明顯的生物醫(yī)學益處，例如當細胞受到化學刺激時，特定蛋白質(zhì)如何反應，如藥物。

為了應對這一挑戰(zhàn)，來自東京都立大學的助理教授Teppei Ikeya和Yutaka Ito教授領導的團隊對sf9培養(yǎng)的昆蟲細胞內(nèi)表達的特定蛋白質(zhì)進行了核磁共振(NMR)光譜測量，這種細胞來源于一種類型的細胞。蛾幼蟲廣泛用于蛋白質(zhì)生產(chǎn)。該團隊開創(chuàng)性的核磁共振工作已經(jīng)成功地闡明了細菌內(nèi)部的高分辨率蛋白質(zhì)結構(非真核生物)。簡單地將相同的技術應用于sf9中的蛋白質(zhì)的問題細胞的目標蛋白濃度顯著降低，細胞壽命短，因此難以收集核Overhauser效應光譜(NOESY)的高質(zhì)量多維核磁共振譜，這將提供有關不同原子在各個分子內(nèi)如何間隔的精確信息。因此，他們將基于稀疏采樣的快速核磁共振測量方案與采用貝葉斯推理等統(tǒng)計技術的最先進計算方法相結合，這些方法可根據(jù)來自細胞內(nèi)核磁共振的有限數(shù)量的結構信息有效地闡明蛋白質(zhì)結構。具有固有低靈敏度的光譜。在NMR裝置內(nèi)部還配備了生物反應器系統(tǒng)，其在測量期間使細胞保持健康狀態(tài)。

利用這一新數(shù)據(jù)，該團隊能夠以前所未有的高分辨率闡明三種模型蛋白質(zhì)的三維結構，對于蛋白質(zhì)主鏈原子的位置精確度為0.5埃(0.05納米)。特別是，與稀釋溶液中的參比結構相比，他們在一種蛋白質(zhì)的局部區(qū)域中鑒定出顯著不同的構象。“在細胞中”和“在試管中”的蛋白質(zhì)之間的構象差異可能是由與細胞內(nèi)其他分子的非特異性相互作用引起的。很明顯，這些相互作用有助于蛋白質(zhì)的生物學功能：，可以看到不同的條件如神經(jīng)退行性疾病如何影響原位蛋白質(zhì)構象，并定量測量治療如何影響結構異常。