來自美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)的研究人員首次破解出位于細(xì)胞膜中的一種酶---扁菱形蛋白酶(rhomboid protease)---的“穩(wěn)定性藍(lán)圖(stability blueprint)”,，描繪出這種酶的哪些部分對(duì)它的形狀和功能是比較重要的,。2012年7月15日,，相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表Nature Chemical Biology期刊上，它們可能最終導(dǎo)致人們開發(fā)出藥物來治療瘧疾和其他寄生蟲病。
扁菱形蛋白酶在很多不同有機(jī)體中存在,，是位于細(xì)胞膜中的一種獨(dú)特類型的酶,，而且在細(xì)胞中它們剪切蛋白。在此之前,，約翰霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院分子生物學(xué)與遺傳學(xué)副教授Sinisa Urban博士和他的同事們證實(shí)扁菱形蛋白酶對(duì)惡性瘧原蟲(Plasmodium falciparum)成功地入侵紅細(xì)胞以便最終導(dǎo)致感染產(chǎn)生而言是至關(guān)重要的,，其中惡性瘧原蟲是一種導(dǎo)致瘧疾的寄生蟲。因此,，理解扁菱形蛋白酶形狀的穩(wěn)定性可能會(huì)影響酶抑制劑開發(fā)，此外,，還需要理解這種酶如何發(fā)揮作用：是像巖石那樣堅(jiān)硬,，還是更像有粘性的果凍(Jell-O)？
研究扁菱形蛋白酶的一大挑戰(zhàn)就是它們是被細(xì)胞膜包圍著的,，從而使得它們很難被操縱,。為此，Urban教授研究團(tuán)隊(duì)利用一種被稱作熱光散射(thermal light scattering)---給酶樣品加熱從而漸近性地提升至更高的溫度,，同時(shí)測(cè)量從酶分子上反彈回來的光照量---來開展研究,。正常形狀遭受破壞的酶散射出的光線不同，因此酶形狀發(fā)生破壞時(shí)的溫度就指示出這種酶的內(nèi)在穩(wěn)定性,。
研究人員首先精確地測(cè)量了大腸桿菌扁菱形蛋白酶的穩(wěn)定性,。Urban說，令人吃驚的是,，與擁有類似形狀的其他膜蛋白相比,，這種酶的形狀更加像“果凍”。他猜測(cè)這種形狀可能有助于扁菱形蛋白酶與它進(jìn)行剪切的其他蛋白相互作用,。為了找到這種酶中哪些部分在維持它的形狀中發(fā)揮重要和哪些部分在它的功能中發(fā)揮出更加至關(guān)重要的作用,，研究人員就構(gòu)建出和測(cè)試了該酶的150種不同的突變體。他們發(fā)現(xiàn)4個(gè)主要區(qū)域在維持形狀中和至少2個(gè)區(qū)域在功能中發(fā)揮出重要的作用,。
研究人員利用計(jì)算機(jī)模擬來測(cè)試這種酶如何發(fā)揮功能,。利用該酶的一種計(jì)算機(jī)程序模型，他們按照它的天然細(xì)胞膜環(huán)境---主要是由脂肪組成,，水分非常有限---進(jìn)行編程,。這種計(jì)算機(jī)程序然后模擬這種環(huán)境如何可能影響這種酶。研究人員發(fā)現(xiàn)它含有一種特殊的用來容納水分子的內(nèi)部口袋,。
Urban希望更好地理解扁菱形蛋白酶將有助于人們開發(fā)出治療瘧疾和其他寄生蟲疾病的新療法,。(生物谷：Bioon.com)
本文編譯自Is It a Rock, or Is It Jello? Defining the Architecture of Rhomboid Enzymes
doi: 10.1038/nchembio.1021
PMC:
PMID:
Architectural and thermodynamic principles underlying intramembrane protease function
Rosanna P Baker & Sinisa Urban
Intramembrane proteases hydrolyze peptide bonds within the membrane as a signaling paradigm universal to all life forms and with implications in disease. Deciphering the architectural strategies supporting intramembrane proteolysis is an essential but unattained goal. We integrated new, quantitative and high-throughput thermal light-scattering technology, reversible equilibrium unfolding and refolding and quantitative protease assays to interrogate rhomboid architecture with 151 purified variants. Rhomboid proteases maintain low intrinsic thermodynamic stability (ΔG = 2.1–4.5 kcal mol−1) resulting from a multitude of generally weak transmembrane packing interactions, making them highly responsive to their environment. Stability is consolidated by two buried glycines and several packing leucines, with a few multifaceted hydrogen bonds strategically deployed to two peripheral regions. Opposite these regions lie transmembrane segment 5 and connected loops that are notably exempt of structural responsibility, suggesting intramembrane proteolysis involves considerable but localized protein dynamics. Our analyses provide a comprehensive 'heat map' of the physiochemical anatomy underlying membrane-immersed enzyme function at, what is to our knowledge, unprecedented resolution.
