作者:苏黎世联邦理工学院彼得·吕格 在蛋白质组水平检测功能变化
信用:瓦伦蒂娜·卡佩莱蒂/图片:科学图片库 联邦理工学院的研究人员彻底改进了现有的蛋白质组学技术，因此他们可以捕捉蛋白质的所有功能变化
他们的工作为使用这些特征作为诊断工具铺平了道路
在生物细胞中，蛋白质无处不在:这些生命的组成部分执行着无数重要的功能
在任何给定的时间，一个人类细胞包含数千种不同的蛋白质，通常每种蛋白质的拷贝同时存在数百甚至数千种
近年来，研究人员成功地使用测量仪器捕捉到了这种巨大的多样性
今天，一次筛选细胞、器官甚至整个生物体来记录它们的整个蛋白质组是可能的，换句话说，所有不同的蛋白质种类和它们的数量
传统的蛋白质组学技术还可以确定每种蛋白质的丰度如何随着环境条件的变化而变化
筛查未能发现许多功能变化 然而，直到现在，标准的蛋白质组筛选还不能同时检测出许多发生在细胞中并导致蛋白质功能改变的分子事件
这些事件包括蛋白质本身的化学变化，如磷酸化，以及与其他蛋白质或分子的相互作用
这种分子事件很重要:细胞中的许多过程，如信号级联，通常完全依赖于各种分子事件，而不是蛋白质水平的调节
这使得细胞能够非常快速地适应新的环境，而不是制造新的环境
使功能变化可测量 这使得苏黎世联邦理工学院分子系统生物学教授Paola Picotti和她的研究小组怀疑，结构变化可以作为导致蛋白质功能变化的各种分子事件的读数(或“代理”)
系统生物学家改进了现有的蛋白质组定位方法，这样他们就可以同时检测蛋白质中所有这样的功能变化，直到最后的细节
正如他们最近在《细胞》杂志上报道的那样，他们现在已经在这方面取得了成功
他们的新方法让研究人员可以原位测量许多酶活性、分子相互作用和化学修饰
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直接在细胞液中
覆盖面大幅增加 为了将它们作为分子事件的代理，研究人员测量了样本中存在的蛋白质结构
他们同时测量它们的数量
皮科蒂说:“通过这种方式，我们捕捉到了影响蛋白质功能的大多数事件——覆盖面显著增加。”
几年前，联邦理工学院的教授为这种新方法奠定了基础
使用一种叫做有限蛋白水解质谱(LiP-MS)的技术，她和她的同事能够相对容易地探测生物样品中大量蛋白质的结构，例如酵母细胞质或活检的体液
这也使她能够记录同一蛋白质的不同结构
使蛋白质成为更好的生物标记 为了测试新的LiP-MS方法，皮凯蒂和她的同事仔细观察了三个成熟的系统
他们发现，该方法不仅捕捉了所有已知的功能变化，还发现了以前未知的事件
皮科蒂说:“这意味着我们现在可以检测到比单独测量蛋白质丰度高得多的改变的生物过程。”
这是使蛋白质、其改变的结构和功能在未来更能用作有效的生物标记的重要一步
研究人员测试他们概念的一种方法是在酵母细胞上，通过让它们经受盐胁迫
过了一会儿，细胞启动了一条特殊的路径来应对环境中盐浓度的增加
当这个信号通路被激活时，一些蛋白质被磷酸化——它们有磷酸盐“附着”在上面——而另一些蛋白质与另外的分子相互作用，还有一些蛋白质改变了它们的活性
这导致酶改变了它们的结构——因此也改变了它们的功能
联邦理工学院的研究人员发现，在酵母中存在的总共3500种不同的蛋白质类型中，超过300种在这个实验中改变了形状，而其中只有30种变化丰富
“这意味着细胞对短暂的新刺激或急性压力没有产生特别大量的蛋白质；相反，他们改造现有的，并修改他们的功能，”皮科蒂说
一旦压力被克服，重塑的分子就可以恢复到原来的状态
因此，随着时间的推移，细胞中蛋白质的数量保持相当稳定
这对细胞来说是个好消息，因为产生新分子需要大量的时间和精力
相比之下，重塑它们只需要几秒钟和很少的能量
有前途的诊断工具 皮凯蒂已经开展了一个项目，在人类疾病上测试这种方法
她和她的同事比较了几百个帕金森病患者和健康人的样本，以寻找该疾病的结构性生物标志物
皮科蒂的初步结论是，“在这种情况下，仅蛋白质的数量在诊断上是没有用的”，大多数蛋白质在健康和患病的个体中几乎同样丰富
然而，当研究人员寻找相同蛋白质的不同结构时，事情似乎更有希望
在取自患者的样本中，许多蛋白质显示出改变的结构，这表明该方法有望成为一种诊断工具
然而，它是否也可以作为一种早期检测手段，还有待探索
研究人员已经为他们的方法申请了专利
专门从事蛋白质组学研究的联邦理工学院附属机构Biognosys已经批准了这种方法，并成功地将其作为一种商业服务，用于分析药物开发样品中蛋白质的结构变化
这种新方法也引起了学术界的极大兴趣
“我每周都会收到几份来自国外研究人员的请求，询问我的实验室能否为他们分析样本
但是我们不能满足所有这些要求，因为我们没有这个能力，”皮科蒂说
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