X射線和電子顯微鏡技術(shù)有助于展現(xiàn)蛋白質(zhì)伴侶的故事。

X射線晶體學(xué)和低溫電子顯微鏡(cryo-EM)的組合有助于協(xié)同努力以獲得真菌蛋白質(zhì)Hsp104的最高分辨率結(jié)構(gòu)，其可用于阻止某些退行性疾病的形成。該團隊的成員包括來自美國能源部(DOE)阿貢國家實驗室的研究人員，他們也證實了蛋白質(zhì)形成的六聚體的螺旋結(jié)構(gòu)，曾經(jīng)被認(rèn)為是平坦的。結(jié)果發(fā)表在2018年12月27日的Structure上。

Hsp104是一種六聚體AAA +蛋白質(zhì)，稱為伴侶蛋白，有助于蛋白質(zhì)的自然折疊過程，從而實現(xiàn)正常的細(xì)胞功能。更重要的是，也許這類六聚體可以修復(fù)錯誤折疊或聚集的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)可導(dǎo)致蛋白質(zhì)引起的異常，如神經(jīng)變性。

這些分子伴侶的變體在多細(xì)胞生物中很常見，但Hsp104在人和其他動物中沒有同源物。雖然它比人類導(dǎo)出的分子伴侶在細(xì)胞應(yīng)激下更加穩(wěn)健，但已觀察到Hsp104折疊人類蛋白質(zhì)。

“我們做了一些實驗，我們在酵母中表達(dá)了人類蛋白質(zhì)，這使酵母生病，因為它們聚集在一起。但如果你表達(dá)真菌Calcispporiella thermophila的 Hsp104 ，它可以保護酵母免受這種聚集疾病的影響，”Argonne Distinguished FellowAndrzej說道。 Joachimiak。

Joachimiak與來自Argonne，芝加哥大學(xué)，斯坦福大學(xué)和賓夕法尼亞大學(xué)的研究人員合作，以更好地了解Hsp104的結(jié)構(gòu)和功能。

該團隊求助于Argonne的Advanced Photon Source，一個DOE科學(xué)用戶設(shè)施辦公室，使用X射線晶體學(xué)探測蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。他們檢查了30種不同的樣本，包括來自不同來源的14種Hsp104伴侶。在該過程中，將單晶投入液氮中并經(jīng)受硬X射線，從中收集衍射圖案并重建結(jié)構(gòu)。Joachimiak指出，只有來自Calcarisporiella真菌的蛋白質(zhì)才能衍生出高分辨率。

為了更好地了解蛋白質(zhì)在活細(xì)胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)關(guān)系，他們接下來轉(zhuǎn)向研究溶液中的蛋白質(zhì)。樣品在芝加哥大學(xué)使用電子顯微鏡進行篩選，然后送到斯坦福大學(xué)，在那里冷凍電子顯微鏡采集了通過復(fù)雜計算確定結(jié)構(gòu)所需的高分辨率分子數(shù)據(jù)。與晶體研究一樣，Calcarisporiella樣品提供了最佳分辨率。

現(xiàn)在，無論是晶體形式還是解決方案，Hsp104的分辨率最高，該團隊能夠?qū)Φ鞍踪|(zhì)的特征和行為做出以前未知或不確定的決定。

在團隊發(fā)現(xiàn)之前，生物學(xué)家認(rèn)為Hsp104支持五個結(jié)構(gòu)域，即蛋白質(zhì)的獨立部分，它們具有特定的功能。但新的高保真結(jié)構(gòu)不僅揭示了四個領(lǐng)域，而且更清晰地展示了它們?nèi)绾蜗嗷リP(guān)聯(lián)。

例如，N末端結(jié)構(gòu)域被認(rèn)為與錯誤折疊的蛋白質(zhì)結(jié)合并幫助其展開成線性形式。這允許它通過由兩個AAA(與各種細(xì)胞活動相關(guān)的ATP酶)域產(chǎn)生的六聚體中的狹窄中央通道。蛋白質(zhì)通過這個通道被引導(dǎo)或移位到六聚體的另一側(cè)，現(xiàn)在它有了一個正確折疊的新機會。

“以前人們聲稱另一個，即C末端域，對于六聚體的形成至關(guān)重要，但我們已經(jīng)證明這不是真的，”Joachimiak說。“它不與其他亞基相互作用，但可能作為其他分子伴侶的對接區(qū)域，幫助重新折疊蛋白質(zhì)。”

另一個關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)幫助扭轉(zhuǎn)了長期以來的觀點，即Hsp104的六聚體是扁平的。兩種調(diào)查方法都明確證明它們是螺旋形的，幫助研究人員了解陪護者如何形成“修復(fù)”通道。

該團隊計劃繼續(xù)探索人類基因組之外存在的許多不同的伴侶。他們認(rèn)為這些分子伴侶可以作為一種治療策略，有可能徹底解開可能導(dǎo)致嚴(yán)重疾病的蛋白質(zhì)。

“有可能有其他伴侶比我們更好，他們將能夠治療在大腦中聚集并導(dǎo)致疾病的蛋白質(zhì)，”Joachimiak說。“那真是太棒了。”