研究人員開發(fā)了從實驗室設(shè)計的DNA序列

對第一個人類基因組進(jìn)行測序是一項艱巨的工作，耗時13年，全球數(shù)百名研究人員和數(shù)十億美元。

但最近的技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)將基因組測序轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N相當(dāng)普通的事件，數(shù)百萬人使用藥店提供的DNA收集工具對至少部分基因組進(jìn)行了測序。

雖然科學(xué)家進(jìn)行遺傳分析的能力的這些飛躍已經(jīng)對人類遺產(chǎn)，疾病和健康產(chǎn)生了無數(shù)的見解，但DNA序列背后的確切含義 - 每條DNA鏈中“字母”的順序如何指導(dǎo)身體的蛋白質(zhì)成為什么樣的做什么 - 仍不清楚。

現(xiàn)在，科學(xué)上首先，哈佛醫(yī)學(xué)院Blavatnik研究所的科學(xué)家已經(jīng)證明，通過評估實驗室制造的基因突變對蛋白質(zhì)功能的影響，可以確定基因的三維結(jié)構(gòu)。

目前的研究將與巴塞羅那理工學(xué)院的JörnSchmiedel和Ben Lehner領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊的研究同時發(fā)表，該團(tuán)隊獨立地得出了類似的結(jié)果，采用了這一概念，但采用了不同的技術(shù)，從而肯定了該方法的實用性。

該研究中使用的計算方法稱為深度突變掃描，涉及使用高通量測序合成各種基因突變，然后確定突變對蛋白質(zhì)功能的影響。

相比之下，之前的努力 - 包括研究人員在當(dāng)前研究中的工作 - 依靠機器學(xué)習(xí)從天然存在的DNA樣本中收集這樣的3-D結(jié)構(gòu)，而不是實驗室制作的DNA樣本。

在目前的研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)DNA序列中的功能相互作用，包含四種不同蛋白質(zhì)和一種RNA的說明。從這些研究人員那里，研究人員構(gòu)建了蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu) - 這種空間結(jié)構(gòu)可以為這些蛋白質(zhì)在細(xì)胞中的作用提供有價值的線索。

“我們生活在一個結(jié)構(gòu)決定功能的三維世界，”哈佛醫(yī)學(xué)院系統(tǒng)生物學(xué)副教授Debora Marks說，他帶領(lǐng)團(tuán)隊與HMS博士后研究員Kelly Brock和博士生Nathan Rollins一起領(lǐng)導(dǎo)哈佛大學(xué)

“了解蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的形狀和構(gòu)象可以幫助我們預(yù)測它們的功能以及這些結(jié)構(gòu)的變化對細(xì)胞功能或功能失常的影響。”

Marks說，這種見解代表著對更好地理解疾病和健康中個體蛋白質(zhì)變化的顯著進(jìn)步，并且可以為針對蛋白質(zhì)特定部分的精確藥物的開發(fā)提供信息。Marks解釋說，人體內(nèi)的每種蛋白質(zhì)都是由20種不同氨基酸的一系列組合而成。蛋白質(zhì)的氨基酸組成是重要的，但這些氨基酸如何三維折疊，交錯和相互關(guān)聯(lián)在確定蛋白質(zhì)功能和功能障礙方面同樣重要。

長期以來，研究人員一直依賴X射線晶體學(xué)，低溫電子顯微鏡(cryo-EM)或核磁共振成像(NMRI)等方法來確定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。然而，這些方法可能是耗時的并且需要昂貴的，高度專業(yè)化的設(shè)備。一些蛋白質(zhì)，例如那些與膜結(jié)合的蛋白質(zhì)或那些傾向于聚集的蛋白質(zhì)，或結(jié)塊的蛋白質(zhì) - 例如大腦中的淀粉樣蛋白 - 根本不適合這些可視化技術(shù)。

為了尋找更好的方法，來自哈佛醫(yī)學(xué)院，Dana-Farber癌癥研究所和Broad研究所的Marks和她的同事轉(zhuǎn)向了突變文庫 - 由其他研究人員開發(fā)的合成DNA序列，其中DNA模式被改變以改變單個氨基酸。

該團(tuán)隊特別感興趣的是在同一序列中含有單獨氨基酸同時突變的文庫。他們尋求突變對，它們相互依賴地影響蛋白質(zhì)功能和健康，這種生物效應(yīng)被稱為上位性。研究人員推斷，最強烈的上位性病例應(yīng)該通過3-D中氨基酸配偶體之間的直接相互作用來介導(dǎo)。因此，具有足夠突變對的掃描中的強上位應(yīng)該揭示足夠的3-D相互作用以收集并構(gòu)建完整的3-D結(jié)構(gòu)。

該團(tuán)隊使用來自人類，酵母和水稻的蛋白質(zhì)，包括雙蛋白質(zhì)復(fù)合物，以及核酶，一種具有酶樣功能的RNA。這些分子中的每一個都經(jīng)過充分研究，并通過其他方法得到了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，這使得團(tuán)隊能夠驗證其最終預(yù)測的精確度。

研究人員將這些庫中的信息輸入計算機程序，用于生成分子的三維結(jié)構(gòu)。令人驚訝的是，來自這些上位突變的數(shù)據(jù)足以產(chǎn)生與已建立的方法相似的結(jié)構(gòu)，其物理位置的變化小至1.8埃。

Marks指出，盡管這種方法適用于小蛋白質(zhì)，但較大的蛋白質(zhì)提出了更大的挑戰(zhàn)。例如，蛋白質(zhì)的300個氨基酸組成的將有1600萬個可能的突變對序列。雖然序列合成變得非常有效并且可能很快就會超過這個限制，但仍然很難創(chuàng)建那么大的庫。

但是，其他工作表明，運行此完整數(shù)據(jù)集不是必需的; 只運行一小部分可能的突變組合產(chǎn)生了精確的三維結(jié)構(gòu)。該團(tuán)隊表明，在應(yīng)用簡單的規(guī)則選擇突變體進(jìn)行合成時，只有原始大小的二十分之一的圖書館可以完成工作。隨著方法的發(fā)展，可能會出現(xiàn)更高效的庫的策略，并且可能完全繞過綜合挑戰(zhàn)。

Marks和她的同事指出，這種方法可以擴(kuò)展到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出他們在這里研究的分子類型。例如，她說，他們的工作已經(jīng)促使與其他有興趣學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的團(tuán)體合作，這些蛋白質(zhì)具有不同的形狀以執(zhí)行不同的功能。此外，該方法還可用于研究其他類型的RNA，這是一類廣泛的分子，它們與人類疾病密切相關(guān)，但幾乎沒有解決的結(jié)構(gòu)。

“這種方法不能取代X射線晶體學(xué)或核磁共振作為衍生三維結(jié)構(gòu)的方法，”馬克斯說。“但它是我們工具箱中的另一個工具，可以更好地理解這些結(jié)構(gòu)，并了解它們的工作原理。”