研究人員首次使用冷凍電子顯微鏡闡明了嵌入細(xì)胞膜中的非常小的酶的結(jié)構(gòu)和功能。該酶構(gòu)建復(fù)雜的糖樹，隨后將其附著到其他膜蛋白上。這些發(fā)現(xiàn)可能會(huì)加速基于蛋白質(zhì)的新藥物的開發(fā)。

真核細(xì)胞中的許多膜蛋白都被稱為聚糖的復(fù)雜糖樹裝飾。這些糖樹除了種類繁多之外，還可以用作識別相應(yīng)生物，細(xì)胞類型或其成熟階段的方法。例如，人類的各種血型具有不同的聚糖。

附著在脂質(zhì)上的復(fù)合糖形成一類特殊的聚糖。在生物學(xué)上，這些被稱為脂質(zhì)連接的寡糖或LLO。LLO由嵌入細(xì)胞膜中的脂肪分子和延伸到細(xì)胞器內(nèi)腔或細(xì)胞外的糖結(jié)構(gòu)組成。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院，伯爾尼大學(xué)和芝加哥大學(xué)的研究人員現(xiàn)已闡明了負(fù)責(zé)LLO形成的酶之一的結(jié)構(gòu)。他們的研究剛剛發(fā)表在最新一期的《自然》雜志上。

模塊化蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)

有問題的酶稱為ALG6，屬于酶的超家族，研究人員稱其為C類糖基轉(zhuǎn)移酶。嵌入細(xì)胞膜中，這些酶將簡單的糖分子與其他糖連接起來，從而形成糖樹。它們還將糖分子與蛋白質(zhì)連接在一起。以這種能力，糖基轉(zhuǎn)移酶在從細(xì)菌，真菌到高度發(fā)達(dá)的哺乳動(dòng)物等各種生物體中均扮演著重要的生物學(xué)角色。

這個(gè)酶超家族一直是生物學(xué)家一個(gè)長期的謎，因?yàn)樗膯蝹€(gè)成員幾乎沒有任何結(jié)構(gòu)性基序。它們唯一的共同之處在于它們是將糖從一個(gè)分子轉(zhuǎn)移到另一分子的膜蛋白，并且用于轉(zhuǎn)移的糖始終與脂質(zhì)連接。

基于ALG6的結(jié)構(gòu)，由ETH教授Kaspar Locher領(lǐng)導(dǎo)的小組現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)該酶家族的成員具有模塊化設(shè)計(jì)。他們的研究表明，ALG6及其親屬由兩個(gè)模塊組成：一個(gè)模塊在開發(fā)過程中保留其結(jié)構(gòu)，第二個(gè)模塊在結(jié)構(gòu)上可變。

這項(xiàng)研究的主要作者，ETH博士生JoëlBloch說：“我們相信正是這種模塊化設(shè)計(jì)幫助了這些酶向不同的方向發(fā)展，從而適應(yīng)了多種不同的底物。”

這些發(fā)現(xiàn)最終解釋了酶家族背后的機(jī)制。“我們的研究對細(xì)胞生物學(xué)和基于糖生物學(xué)的治療物質(zhì)的生產(chǎn)具有深遠(yuǎn)的意義，”布洛赫解釋說。這些見解在抗體工程中將特別有價(jià)值，而抗體工程目前已在制藥行業(yè)引起廣泛關(guān)注。通常，它們還將有益于定制聚糖的生產(chǎn)，這對于治療性蛋白質(zhì)(例如抗體)很重要。

低溫電子顯微鏡記錄

研究人員還將他們的研究結(jié)果視為使用低溫電子顯微鏡(cryo-EM)確定蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的突破。2017年，瑞士研究人員雅克·杜伯謝特(Jacques Dubochet)因其對這項(xiàng)突破性技術(shù)的貢獻(xiàn)而獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，該技術(shù)自此成為大分子復(fù)合物結(jié)構(gòu)解析的首選方法。

使用cryo-EM無法確定高分辨率的小蛋白的結(jié)構(gòu)，尤其是嵌入膜中的小蛋白，因?yàn)閷Φ陀谝欢ㄙ|(zhì)量的顆粒進(jìn)行的測量無法進(jìn)行精確的結(jié)構(gòu)計(jì)算。

ETH團(tuán)隊(duì)與芝加哥大學(xué)的一個(gè)研究小組合作，現(xiàn)已找到解決該問題的方法。與位于芝加哥的研究人員合作，他們生產(chǎn)了與ALG6結(jié)合的合成抗體。該抗體增加了ALG6 酶的質(zhì)量，因此可以使用cryo-EM以高分辨率確定其結(jié)構(gòu)。

“用我們的方法，我們目前保持著這種尺寸的膜結(jié)合復(fù)合物獲得的最高結(jié)構(gòu)分辨率的世界紀(jì)錄，” Locher自豪地說道。他解釋說，cryo-EM的這些進(jìn)展將使許多其他科學(xué)家能夠闡明小膜蛋白的結(jié)構(gòu)：“我們的方法為科學(xué)界在與多種疾病相關(guān)的膜蛋白研究方面取得快速進(jìn)展鋪平了道路。。”

化學(xué)酶工具箱

似乎還不夠，ETH研究人員與伯爾尼大學(xué)的化學(xué)家合作，現(xiàn)已開發(fā)出在實(shí)驗(yàn)室中合成高度復(fù)雜的脂質(zhì)連接寡糖的方法，這是有機(jī)化學(xué)中常規(guī)合成方法無法實(shí)現(xiàn)的。 。

結(jié)果，研究人員現(xiàn)在對LLO生物合成的基本細(xì)胞途徑有了新的認(rèn)識，有助于他們解釋細(xì)胞如何構(gòu)建復(fù)雜的聚糖。Locher說：“這標(biāo)志著糖生物學(xué)的一個(gè)里程碑，可以為許多糖生物學(xué)家的未來研究和糖蛋白的生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。”