Cell论文详解！新方法可检测蛋白质组水平上的功能变化

2021年2月10日讯/生物谷BIOON/---在一项新的研究中，来自瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员对现有的蛋白质组学技术进行了大幅度的改进，这样他们就可以捕捉到蛋白的所有功能改变。他们的研究为将这些功能改变作为诊断工具铺平了道路。相关研究结果近期发表在Cell期刊上，论文标题为“Dynamic 3D proteomes reveal protein functional alterations at high resolution in situ”。

图片来自Cell, 2021, doi:10.1016/j.cell.2020.12.021。

在生物细胞中，蛋白无处不在：这些生命的基石发挥着无数的重要功能。一个人体细胞在任何时候都包含数千种不同的蛋白，每种蛋白往往同时存在数百个甚至数千个。

近年来，科学家们已经成功地使用测量仪器来全面捕捉这种巨大的多样性。如今，可以一次性筛选细胞、器官甚至整个有机体来记录整个蛋白质组，换句话说就是所有的蛋白种类以及每种蛋白的数量。传统的蛋白质组学技术还可以确定每个蛋白种类的丰度如何随环境条件的变化而变化。

筛选未能发现许多功能变化

但直到现在，标准的蛋白质组筛选还无法同时检测到许多发生在细胞中并导致蛋白功能变化的分子事件。

这些事件包括蛋白本身的化学变化，如磷酸化，以及与其他蛋白或分子的相互作用。这样的分子事件很重要：细胞中的许多过程，如信号级联反应，往往完全依赖于各种分子事件，而不是蛋白水平的调整。这使得细胞能够利用其现有的一组蛋白分子非常迅速地适应新的环境，而不必制造新的分子。

使功能变化可以测量

这使得苏黎世联邦理工学院分子系统生物学教授Paola Picotti和她的研究团队猜测，结构变化可以作为所有导致蛋白功能变化的各种分子事件的指标。

Picotti团队改进了一种现有的蛋白质组图谱绘制方法，这样他们就可以同时检测到蛋白的所有这种功能变化，直至最后的细节。

正如他们在这项研究中所报道的那样，他们如今已经成功地完成了这项工作。他们的新方法让人们可以在原位，即直接在细胞液中，测量许多酶活性分子的相互作用和化学修饰。

覆盖率大幅提高

为了使用它们作为分子事件的指标，这些研究人员测量了样本中存在的蛋白结构。他们同时测量它们的数量。Picotti说，“这样一来，我们就能捕捉到大多数影响蛋白功能的事件---覆盖率大幅增加。”

几年前，Picotti为这种新方法奠定了基础。她和她的同事们使用一种叫做有限蛋白水解质谱（limited proteolysis mass spectrometry, LiP-MS）的技术，能够比较容易地探测酵母细胞质或活检体液等生物样本中大量蛋白的结构。这也使得她能够记录同一种蛋白的不同结构。

让蛋白成为更好的生物标志物

为了测试这种新的LiP-MS方法，Picotti和她的同事们仔细观察了三个完善的系统。他们发现这种方法不仅能捕捉到所有已知的功能变化，还能发现以前未知的事件。Picotti说，“这意味着我们如今可以检测到更多的发生变化的生物过程，而不仅仅是测量蛋白丰度。”这使得蛋白、它们的发生变化的结构和它们的功能在未来更可能用作有效的生物标志物。

这些研究人员测试他们的想法的一种方法是让酵母细胞承受盐胁迫。在短时间后，这些细胞启动了一条特殊的信号通路来应对它们所在环境中盐浓度的增加。当这条信号通路被激活时，一些蛋白发生磷酸化，而另一些蛋白则与其他的分子相互作用，然而还有一些蛋白则改变了它们的活性。这导致蛋白酶的结构发生了改变，从而也改变了它们的功能。

Picotti团队发现，在酵母中存在的总共3500种不同类型的蛋白中，有300多种蛋白在这次实验中改变了形状，而其中只有30种蛋白质的丰度发生了变化。Picotti说，“这意味着细胞不会为了应对短暂的新刺激或急性应激而产生特别多的蛋白，相反，它们会重塑现有的蛋白并修改它们的功能。”

一旦这种盐胁迫被克服，受到重塑的蛋白分子可以恢复到原来的状态。因此，随着时间的推移，细胞中的蛋白数量保持相当稳定。这对细胞来说是个好消息，这是因为产生新的分子需要大量的时间和能量。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

Picotti已经开展了一个研究项目，在人类疾病上测试该方法。她和她的同事们将来自帕金森病患者的几百份样本与健康人的样本进行了比较，以便在蛋白结构上寻找这种疾病的生物标志物。

Picotti的初步结论是，“在这种情况下，单凭蛋白的数量是没有诊断作用的。”大多数蛋白在健康人和患病者中的含量大致相同。然而，当这些研究人员寻找“同一种蛋白的不同结构时，情况似乎更有希望。众多蛋白在从患者身上采集的样本中显示出结构的改变，这表明这种方法有希望成为一种诊断工具。不过，它是否也可以作为早期检测的手段，还有待探索。

这些研究人员已经为他们的方法申请了专利。专攻蛋白质组学的bioognosys公司已经许可了这种方法，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的蛋白结构变化。这种新方法也引起了学术界的极大兴趣。Picotti说，“我每周都会收到好几个国外研究员的请求，看看我的实验室能否分析他们的样品。但我们无法满足所有这些请求，这是因为我们没有这样的能力。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1.Valentina Cappelletti et al. Dynamic 3D proteomes reveal protein functional alterations at high resolution in situ. Cell, 2021, doi:10.1016/j.cell.2020.12.021.

2.Detecting functional changes at the proteome level
https://phys.org/news/2021-02-functional-proteome.html