科學家剖析并重新設(shè)計基于蛋白質(zhì)的圖案形成
探究蛋白質(zhì)的功能部分或“基序”,已幫助科學家確定了蛋白質(zhì)形成生物學模式所需的最少成分。
研究人員在《eLife》雜志上發(fā)表文章,描述了他們?nèi)绾螌⒌鞍踪|(zhì)模式形成的生物學現(xiàn)象分解為主要功能模塊,然后以全新的方式從頭開始重建這一過程。
蛋白質(zhì)自組織形成活細胞中的模式,這對于關(guān)鍵功能(例如細胞分裂,通訊和運動)至關(guān)重要。一個明顯的例子是大腸桿菌(E. coli)的MinDE系統(tǒng)。該系統(tǒng)在桿狀細菌的兩個極點之間產(chǎn)生兩種蛋白質(zhì)類型MinD和MinE的振蕩,從而將細胞分裂的機器定位到中細胞。它可以在實驗室中重建,從而使科學家可以控制和操縱通過蛋白質(zhì)突變形成模式所需的功能元件。
“由于其簡單性,MinDE系統(tǒng)在理解基于蛋白質(zhì)的模式形成機理方面具有不可估量的價值,” Philipp Glock博士說。他是德國慕尼黑馬克斯·普朗克生物化學研究所的學生,并與慕尼黑路德維希·馬克西米利安大學的弗里德喬夫·布勞恩斯和雅各布·哈拉特克共同擔任主要作者。“仍然存在的關(guān)鍵問題是,是否可以進一步降低這種結(jié)構(gòu)和功能的復雜性,以揭示出形成圖案所需的最少成分。”
為了回答這個問題,格洛克和他的同事們創(chuàng)建了MinE的簡約版本,該MinE 通過在理論建模的指導下將蛋白質(zhì)分解為一組核心功能基序,從而在兩種蛋白質(zhì)的MinDE系統(tǒng)中發(fā)揮了對抗作用。一個基序,MinE用于與MinD相互作用的短螺旋氨基酸序列,不足以單獨產(chǎn)生模式。但是,一次添加一個MinE的其他功能性基序,使科學家能夠完全設(shè)計出新的最小化模式形成蛋白突變體。
研究小組發(fā)現(xiàn)至少需要一個其他功能性圖案才能形成圖案。這可以是與膜結(jié)合的基序,也可以是與相同種類的其他分子結(jié)合的二聚基序。這些主題均不需要來自本地MinE,但可以替換并可能進一步簡化。
然后,數(shù)學建模使作者可以解釋為什么需要這些功能以及它們?nèi)绾问鼓J叫纬?。此外,他們預測了這些模式如何適應大腸桿菌中的細胞形狀。研究小組說,測試這些預測是未來實驗的一個令人興奮的目標。
馬克斯·普朗克細胞與分子生物物理學系主任Petra Schwille博士說:“我們的工作為模塊化和可調(diào)節(jié)的實驗平臺提供了一個起點,從而可以自下而上地設(shè)計基于蛋白質(zhì)的圖案形成。”生物化學研究所,與資深物理學家歐文·馬克西米利安斯大學的理論物理學家歐文·弗雷(Erwin Frey)共同撰寫。她補充說,盡管新系統(tǒng)創(chuàng)建的模式比本地MinDE系統(tǒng)形成的模式不規(guī)則,但它們?nèi)匀蛔阋栽佻F(xiàn)和研究基本的生物學過程。
現(xiàn)在,該模型可用于研究哪些功能特征,無論特定的蛋白質(zhì)系統(tǒng)如何,都需要結(jié)合起來以實現(xiàn)生物學中的自組織和模式形成。Schwille總結(jié)說:“我們的模塊化方法還可能為計算機模擬其他類型細菌以及更復雜的生物中的模式形成提供必要的數(shù)據(jù)。”
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