蛋白質相互作用研究方法概述

2022-06-19 19:21:03 字數 4913 閱讀 8330

三,蛋白質間的相互作用

蛋白質在生物體內通過彼此結合形成具有特定功能的多組分複合物,從而使蛋白質「一起工作」。這些功能單位有的如二聚體轉錄因子複合物一樣簡單,有的如形成核醣體的30多個組分系統那樣複雜。通過對蛋白質的研究,發現在高等生物中蛋白質有多種功能結構域,即蛋白質間存在相互作用。

生物體內的各種代謝過程均有蛋白質的參與,蛋白質通過各種形式發揮調節生理代謝的功能。其主要是通過彼此間的相互作用,構成網路圖譜,共同完成其複雜的功能。因此研究蛋白質之間的相互作用、作用方式等已經成為研究生物生命活動的必然要求。

四,研究蛋白質相互作用的方法

蛋白質與蛋白質之間的相互作用構成了細胞生物化學反應網路的乙個主要組成部分,蛋白質—蛋白質之間相互連線構成網路譜,共同完成生物體內複雜的各級生化反應。但是蛋白質的表達具有時間差異性和空間差異性,且每種蛋白質都有多個相互作用因子,因此,蛋白質相互作用的研究更為複雜,更具難度。目前,人們對蛋白質相互作用的研究正經歷著3個階段:

鑑定與目的蛋白質有相互作用的所有可能蛋白質;在與目的蛋白質有相互作用的蛋白質已被鑑定出來的前提下,在盡可能接近自然條件下確定目的蛋白質與其相互作用蛋白間的相互作用對其功能的影響;鑑定出調節目的蛋白與其相關作用蛋白間相互作用的關鍵因子以準確解釋蛋白質相互作用。

(一)基於生物化學、微生物學、分子生物學的經典研究方法

1,化學交聯法

化學交聯是共價連線不同化學功能基團的技術,是對蛋白質化學修飾的簡單延伸。蛋白質的親核側鏈和多肽鏈末端的活性氨基酸可與化學交聯劑發生化學交聯反應。因為相互作用的蛋白質是彼此結合或靠近的,因此就可以選擇合適的化學交聯劑,通過化學交聯反應得到蛋白交聯複合物,然後利用蛋白質電泳或放射自顯影等技術,即可鑑定出彼此間有相互作用的蛋白質。

化學交聯法可以檢測到微弱的相互作用以及難溶的蛋白質之間的相互作用,還可以使蛋白複合物固定在某一特定構象,進而獲得相對的和絕對的結構資訊。化學交聯法適於研究能夠形成穩定複合物的蛋白質間的相互作用,但其受交聯劑種類、濃度、反應時間、溫度、ph等條件的影響較大,條件優化過程繁瑣,因此受到一定的侷限性。

2,免疫共沉澱

具有相互作用的蛋白質經過單向電泳分離並電轉移到膜上,用其中乙個組分的抗體免疫沉澱複合物。首先根據複合物找到合適的抗體,抗體應該能與我們感興趣的靶蛋白質專一性結合,然後,抗體與複合物結合形成蛋白複合物沉澱,將蛋白複合物溶解,再通過對蛋白標籤具有特異吸附作用的親和色譜柱將蛋白複合物分離純化出來,進而通過質譜技術鑑定分離的蛋白質。

該法的優點是:所研究的相互作用蛋白均是經翻譯後修飾的天然蛋白,可以表徵生理條件下的那種間的相互作用。但該方法需尋找專一抗體,且目的蛋白需達到一定濃度時才能結合形成沉澱,故具有一定的侷限性。

3,噬菌體展示技術

噬菌體展示技術是將編碼目的蛋白的基因與編碼噬菌體表面蛋白的基因融合後,以融合蛋白的形式表達在噬菌體表面的一種技術。將不同蛋白的cdna插入噬菌體載體進行表達,得到表達不同蛋白的一定規模的噬菌體展示庫。將「誘餌」蛋白固定化,基於「誘餌」蛋白與「獵物」蛋白之間的相互作用,可將展示庫中與固定化的「誘餌」蛋白有相互作用的「獵物」蛋白分離純化出來,再對「獵物」蛋白進行質譜鑑定。

噬菌體展示技術常用於構建隨機膚庫、抗體庫和蛋白質庫,研究受體或抗體的結合蛋白及相互作用位點,改造和提高蛋白質、酶及抗體的生物學和免疫學屬性等。噬菌體展示技術能夠將表達蛋白和編碼基因完美地聯絡起來,並具有高通量、高選擇性的特點。但是,噬菌體可以組裝的基因大小有限,限制了插人蛋白基因的長度和數量,同時因為宿主可能會引起某些蛋白的不正確摺疊或修飾而影響一些蛋白的結合能力。

4,酵母雙雜交技術

真核生物細胞轉錄啟用因子一般都含有2個不同的結構域:dna結合結構域和dna轉錄啟用結構域。這兩個結構域相互獨立但功能上又相互依賴,它們之間只有通過某種方式結合在一起才具有完整的轉錄啟用因子的活性。

將擬研究的編碼「獵物」蛋白的基因與dna轉錄啟用結構域序列結合,編碼「誘餌」蛋白的基因與dna結合結構域序列結合,形成兩段融合基因,並在同一菌株核內表達,若「誘餌」蛋白與「獵物」蛋白在核內存在相互作用,就可以重新形成完整的有活性的轉錄因子,從而啟用報告基因的轉錄。因此根據報告基因的表達與否,即可判斷「誘餌」蛋白與「獵物」蛋白之間是否具有相互作用。

酵母雙雜交技術常用於發現和研究新蛋白質的相互作用和功能,以及研究抗原和抗體的相互作用。在檢測蛋白質之間相互作用方面,酵母雙雜交系統具有非常高的靈敏度,尤其對蛋白質間微弱的、瞬間的作用也能夠通過報告基因的表達產物敏感地檢測到。但是,該方法也存在某些缺陷:

由於某些蛋白質本身具有轉錄啟用功能,使「獵物」蛋白dna轉錄啟用結構域融合基因與「誘餌」蛋白dna結合結構域融合基因表達產物無需特異結合就能啟動轉錄系統,從而產生假陽性結果;對相互作用蛋白在細胞內的定位要求嚴格,只有定位於核內的相互作用蛋白才能確保報告基因的啟用,而定位於胞漿內或膜上的蛋白則很難採用該技術分析。

(二)基於生物物理學的研究方法

1,螢光共振能量轉移技術

螢光共振能量轉移是指兩個螢光髮色基團在足夠靠近時,當供體分子吸收一定頻率的光子後被激發到更高的電子能態,在該電子回到基態前,通過偶極子相互作用,實現了能量向鄰近的受體分子轉移,即發生能量共振轉移。如cfp(青色螢光蛋白)的發射光譜與yfp(黃色螢光蛋白)的吸收光譜有相當的重疊,當它們足夠接近時,用cfp的吸收波長激發,cfp的髮色基團將會把能量高效率地共振轉移至yfp的髮色基團上。所以,cfp的發射螢光將減弱或消失,主要發射的將是yfp的螢光。

兩個髮色基團之間的能量轉換效率與它們之間的空間距離的6次方成反比,對空間位置的改變非常靈敏。如要研究兩種蛋白質a和b間的相互作用,可以構建cfp一蛋白質a-yfp一蛋白質b這種融合蛋白,用cfp吸收波長433nm作為激發波長,當蛋白質a與b沒有發生相互作用時,cfp與yfp相距很遠不能發生螢光共振能量轉移,因而檢測到的是發射波長為475nm的cfp螢光;但當蛋白質a與b發生相互作用時,cfp與yfp可充分靠近,可發生螢光共振能量轉移,此時檢測到的就是發射波長為527nm的yfp螢光。若將編碼這種融合蛋白的基因通過轉基因技術使其在細胞內表達,則可以研究蛋白質間的相互作用。

螢光共振能量轉移技術常用於檢測蛋白質間的相互作用以及作用時蛋白質複合物的構像變化,從而確定作用模式,通過在體無損成像描述細胞內蛋白質間相互作用。

螢光共振能量轉移技術是一種典型的、高效的在體無損成像技術,能動態地反映活細胞生理過程的時空變化以及細胞訊號轉導通路的時空傳遞特性,可以在活細胞正常生理條件下無損傷地研究蛋白質間相互作用。但是,該方法受螢光髮色基團空間距離的限制,只能研究分子量小於200kd的蛋白。

2,表面等離子體共振(spr)

當入射光發生全反射時,入射光的電磁場能滲入光疏遞質中,其強度隨滲入深度呈指數衰減(約100—300nm),這一衰減的電磁波稱為倏逝波。如果光疏遞質中介面處有一金屬薄層,倏逝波將引起金屬中自由電子振盪,產生一沿表面運動的等離子體向量。若入射光是單色且與介面平行,那麼在某一入射角會與該向量發生共振。

能量將從入射光子傳遞到等離子體,反射光消失,這種現象就稱為表面等離子體共振,該反射光消失的角度稱為共振角。表面等離子體共振檢測是基於表面等離子體共振角隨金屬表面物化因素的改變而有敏感變化的特點,首先將經修飾過葡萄糖層固定於奈米級厚度的金屬膜表面,進一步將「誘餌」蛋白與葡萄糖層中的活性基團鍵合。當蛋白質混合物經過時,如果有蛋白質和「誘餌」蛋白發生相互作用,那麼兩者的結合會使金屬表面的折射率上公升,從而導致共振角度的改變。

通過繪製共振譜圖可以實時監測蛋白質相互作用的過程。

spr技術常用於獲取蛋白質間相互作用的動力學資料,如測量受體與配體的結合動力學速率常數。srp技術不需標記物且靈敏度高,能對整個反應過程進行實時監測,但有限的蛋白固定化方法限制了該技術的應用範圍。

3,原子作用力顯微技術(afm)

原子作用力顯微技術是在掃瞄隧道顯微技術的基礎上發展起來的。afm通過力掃瞄方式,以單分子水平的高解析度測量蛋白質間的相互作用力。如在配體一受體間相互作用力的研究中,配體被固定於afm的彈性懸臂表面,受體被固定於適當的基底表面,在懸臂接近和離開基底的過程中,通過懸臂的偏折便可測得配體一受體間的作用力。

該技術常用於直接檢測蛋白複合物解體期間的動力強度及自由能變化。原子作用力顯微技術能直接有效地檢測在外力作用下,蛋白質分子機械性質的改變。由於該技術常受到非特異結合力的干擾,導致結果誤差較大。

五,蛋白質相互作用研究方法的新進展

(一)串聯親和純化技術(tap)

tap技術綜合了融合蛋白親和色譜法及免疫共沉澱技術的優勢,通過兩步特異性的親和純化獲得與目標蛋白結合的蛋白質複合物。該方法首先須針對目標蛋白進行基因構建,即在目標蛋白的一端依次導人鈣調蛋白結合膚、tev蛋白酶切位點和蛋白標籤(如蛋白a的igg結合區、寡聚組氨酸肽段等),進而在宿主細胞中進行融合表達,在生理條件下形成與目標蛋白相互作用的蛋白複合物。在蛋白複合物的分離純化中,第一步利用與蛋白標籤具有親和作用的色譜柱,採用tev蛋白酶斷裂tev蛋白酶切位點的方式洗脫;第二步利用與鈣調蛋白結合膚具有親和作用的鈣調蛋白色譜柱,將蛋白複合物和tev蛋白酶分開,純化出的蛋白複合物進一步用凝膠電泳、質譜技術或edman降解法進行鑑定。

串聯親和純化的優點是:利用酶切的方法進行洗脫,條件溫和,不破壞複合物的結構,去除了雜蛋白的干擾,使蛋白質相互作用的研究結果準確性更高。目前tap技術已經成為快速純化蛋白質複合物及其相關蛋白質的有效方法。

tap技術特別適用於研究自然條件下的蛋白質相互作用,已能夠對大腸桿菌、酵母細胞中蛋白質的相互作用進行大規模地研究。但由於在高等真核細胞中難以進行原位蛋白標記,以及存在內源表達的蛋白質于擾,和蛋白質翻譯後調控機制的不同等因素,使得該技術在高等真核細胞中的應用受到限制。

(二)蛋白質片段互補分析(pca)

泛素蛋白可以分為兩個片段,將編碼這兩個片段的基因分別與編碼「誘餌」蛋白和「獵物」蛋白的基因在胞質內進行融合表達,如果「誘餌」蛋白和「獵物」蛋白發生相互作用,則泛素蛋白的兩個片段得到重組而形成完整的泛素蛋白。在泛素蛋白的介導下,作為泛素蛋白介導酶底物的報告蛋白被酶解,通過檢測報告蛋白的含量變化監測蛋白質間的相互作用。除泛素蛋白外,腺昔酸環化酶和氨茵酸異構酶也可作為片段蛋白。

蛋白質片段互補技術也已成功應用於膜蛋白相互作用的系統化研究。以上方法是通過間接監測報告蛋白特性的改變來鑑定蛋白質相互作用,容易產生假陽性結果。現在通過將螢光蛋白等報告蛋白作為蛋白互補片段與「誘餌」蛋白和「獵物」蛋白融合表達,可通過直接監測螢光蛋白特性的改變來鑑定蛋白質相互作用。

該種方法更為直接,減少了泛素蛋白介導酶解過程中的假陽性反應。

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