格拉德斯通研究所弗朗索瓦·查纳特 格拉德斯通和UCSF大学的内万·克罗根领导的一个小组已经证明，大规模和系统的遗传学方法确实可以产生关于蛋白质复合物结构的可靠和详细的信息
信用:UCSF QBI 生物学家最令人头疼的任务之一是弄清楚蛋白质——承担细胞工作的主要部分的分子——是如何工作的
每种蛋白质在其表面都有各种各样的突起、折叠和裂缝，它们决定了它能做什么
科学家可以很容易地在单个蛋白质上看到这些特征
但是蛋白质不是单独起作用的，科学家还需要知道蛋白质在一起工作时形成的复合物的形状和组成——他们称之为结构
有了关于蛋白质复合物结构的精确信息，科学家有更大的机会设计有效的药物来阻断或增强复合物的治疗活性
他们还可以更好地预测突变如何破坏一个复合体并导致疾病
但是确定蛋白质复合物的结构是一项艰苦的工作
每一个复合体都是不同的，没有一刀切的方法来确定它们的结构，也没有什么方法来加快这个过程
最重要的是，产生最精确结构信息的方法需要将复合物从它们的自然环境——细胞——中分离出来
因此，科学家们在观察一个结构时面临着一个挥之不去的疑问:它是否真的反映了这个复合体在细胞中的样子和工作方式？ 最终，蛋白质来自基因，并且由于基因比蛋白质更容易操作，一些科学家正在寻找基因和快速增长的遗传工具库来促进蛋白质结构的确定
现在，格拉德斯通研究所和加州大学三藩市分校(UCSF)的一个小组已经证明，大规模和系统的遗传方法确实可以产生关于蛋白质复合物结构的可靠和详细的信息
他们的发现发表在《科学》杂志上
“我们的技术使我们能够从活细胞中收集大量的结构数据，反映出蛋白质是如何在正常环境中工作的，而不是在人工实验室条件下，”内万·克罗根博士说
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他是格拉德斯通的高级研究员，也是细胞和分子药理学教授和UCSF定量生物科学研究所(QBI)的主任
“这在以前是不可能的，它将大大加快确定蛋白质复合物结构的过程，包括那些用传统方法难以解决的问题
" 这种方法建立在一种技术的基础上，这种技术是克罗根首创的，叫做基因相互作用作图
它在活细胞中，在相对较短的时间内，通过数千种基因突变的组合进行筛选，并能揭示蛋白质产物在普通细胞过程中起作用的基因
克罗根和他的团队提高了这些屏幕的分辨率，并成功模拟了酵母细胞中的两种蛋白质复合物和细菌细胞中的一种蛋白质复合物
克罗根认为这一进展不是替代其他确定蛋白质结构的方法，而是一个重要的补充，是由UCSF大学教授、该项目的合作者安德烈·萨利首创的“整合建模”战略的一部分
“将我们屏幕上的基因数据与其他结构信息结合起来，提高了我们模型的准确性，”克罗根说
“我们的研究突出了综合建模的力量，以及以完全不同的方式组合几个数据集的价值
" 从酵母到人类细胞和疾病 蛋白质是称为氨基酸的构件链
破译蛋白质复合物的结构主要在于弄清楚当复合物被组装时，哪段氨基酸会彼此靠近
大多数时候，这是通过生物化学实现的
相反，克罗根和他的团队依靠遗传学，在他们的大规模屏幕上观察复合物的氨基酸是如何表现的
这个想法是，如果两个氨基酸彼此靠近——比如说，在复合物表面的同一个突起或裂缝中——它们可能为复合物执行相似的功能
因此，在基因筛选中，这两种氨基酸有望与相同的基因相互作用
但是蛋白质复合物确实很复杂，不同的区域可能会相互影响或发挥相似的功能
“所以，如果一个复合体中的两个氨基酸与同一个基因相互作用，它们可能彼此靠近，也可能不靠近，”汉尼斯·布朗伯格博士说
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他是这项研究的第一作者之一，也是QBI大学的科学家，该大学是UCSF大学药学院的一个有组织的研究单位
“但如果它们与1000种可能性中的50种相同的基因相互作用，那么它们在复合体中相互接近的可能性就大得多
" 科学家们决定探索这种推理是否可以用来确定其自然环境中蛋白质复合物的结构——活的、生长的细胞
他们从两种叫做组蛋白H3和组蛋白H4的蛋白质开始，这两种蛋白质形成了一种众所周知的蛋白质复合物
他们在酵母细胞中进行筛选，并利用结果信息来模拟组蛋白H3-H4复合物的结构
“我们获得的结构与关于蛋白质复合物的现有数据一致，”布拉伯格说
“我们的方法的性能与常用的生物化学方法相当，这很了不起，因为基因相互作用的数据完全是基于观察细胞生长得有多好！” 他们方法的成功并不局限于H3-H4复合物，因为研究人员用另外两种蛋白质复合物获得了相似的结果，一种在酵母中，另一种在细菌细胞中
这预示着该方法将广泛应用于更多的复合物，特别是不容易屈服于传统技术的复合物，因为例如它们嵌入在其他细胞成分中，或者太大或寿命太短
“CRISPR-Cas9基因组编辑的最新进展也应该使我们能够将我们的方法扩展到人类细胞，”Krogan说
“这种可能性为研究由基因突变或病原体引起的疾病打开了令人兴奋的前景
" Krogan和他的团队将CRISPR与基因相互作用筛选相结合，将能够精确描述疾病突变对蛋白质复合物结构的影响，并识别与疾病相关的变化
他的团队最近使用基因相互作用屏幕来研究病毒和人类细胞之间的界面
在这项工作的基础上，他们现在可以将特定的突变引入病原体的基因组，并使用人类宿主蛋白质的遗传相互作用图谱来理解活细胞感染的后果
“这个项目始于15年前，利用基因相互作用筛选来提供蛋白质复合物的结构理解，”克罗根说
“这些年来，我们一直在不断完善这种方法，并不断增强它的力量。看到这种前所未有的解决方案，让我们了解活细胞内发生的生物现象，真令人欣慰
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