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最令生物學煩惱的任務之一是弄清楚蛋白---這些承擔細胞工作重任的分子---是如何完成它們的工作的。每種蛋白的表面都有各種旋鈕、褶皺和裂縫，決定了它能做什麼。科學家們可以相當容易地在單個蛋白上可視化觀察這些特徵。但蛋白並不是單獨行動的，科學家們還需要知道蛋白在一起工作時形成的複合物的形狀和組成--他們稱之為結構。
有了關於蛋白複合物結構的精確信息，科學家們就有更大的機會設計出高效的藥物來阻斷或提高這種複合物的活性，從而達到治療目的。他們還可以更好地預測突變如何可能破壞一種複合物並導致疾病。
但確定蛋白複合物的結構是一項艱苦的工作。每種複合物都是不同的，沒有一個放之四海而皆準的方法來確定它們的結構，也沒有什麼手段可以加快這個過程。最重要的是，能夠獲得最精確結構信息的方法需要將蛋白複合物從其自然環境--細胞---中分離出來。因此，科學家們在觀察結構時，會面臨一個令人困擾的疑問：它是否真的反映了蛋白複合物的形狀？它是否真的反映了蛋白複合物在細胞中的形狀和工作機制？
歸根結底，蛋白來自於基因，鑑於基因已經被證明比蛋白更容易處理，一些科學家正在尋找基因和快速增長的基因工具庫來促進蛋白結構的確定。
如今，在一項新的研究中，來自美國格拉斯通研究所和加州大學舊金山分校的研究人員證實了一種大規模的系統性遺傳方法確實可以獲得可靠和詳細的蛋白複合物結構信息。相關研究結果發表在2020年12月11日的Science期刊上，論文標題為「Genetic interaction mapping informs integrative structure determination of protein complexes」。
利用基因相互作用確定體內的蛋白複合物結構，圖片來自Science, 2020, doi:10.1126/science.aaz4910。
論文共同通訊作者、格拉斯通研究所高級研究員和加州大學舊金山分校定量生物科學研究所主任Nevan Krogan博士說，「我們的技術使我們能夠從活細胞中收集大量的結構數據，從而反映出蛋白在其正常環境中的工作方式，而不是在人工實驗室條件下的工作方式。這在以前是不可能達到如此規模的，它應該會大大加快確定蛋白複合物結構的過程，包括那些用傳統方法難以解決的蛋白複合物結構。」
這種方法建立在Krogan開創的一種名為基因相互作用圖譜（genetic interaction mapping）的技術之上。它在活細胞中篩選數以千計的基因突變組合，並且在相對較短的時間內，揭示基因的蛋白產物在常見的細胞過程中所起的作用。Krogan和他的團隊提高了這些篩選的分辨能力，並成功地在酵母細胞中確定了兩種蛋白複合物的結構模型，在細菌細胞中確定了一種蛋白複合物的結構模型。
Krogan認為這種進步並不是取代其他確定蛋白結構的方法，而是一種重要的補充，是由加州大學舊金山分校教授Andrej Sali開創的一種名為「一體化建模（integrative modeling）」的策略的一部分。
Krogan說，「將我們篩選的蛋白複合物的遺傳數據與其他的結構信息相結合，可提高我們模型的準確性。我們的研究突出了一體化建模的力量，以及將以完全不同方式收集的多個數據集結合在一起的價值。」
從酵母到人類細胞和疾病
蛋白是由胺基酸組成的。解讀蛋白複合物的結構主要是為了要弄清當蛋白複合物組裝時，哪些胺基酸最終會彼此靠近。大多數情況下，這是通過生物化學實現的。
相反，Krogan和他的團隊依靠遺傳學，並在他們的大規模篩選中觀察蛋白複合物中的胺基酸如何表現。這個想法是，如果兩個胺基酸彼此接近---比如：在蛋白複合物表面的同一個旋鈕或裂隙內---它們很可能在這種複合物中執行類似的功能。因此，在基因篩選中，預計這兩個胺基酸會與相同的基因相互作用。但蛋白複合物確實是複雜的，不同的區域可能會相互影響或執行相似的功能。
論文共同第一作者、加州大學舊金山分校定量生物科學研究所研究員Hannes Braberg博士說，「因此，如果一種蛋白複合物中的兩個胺基酸與相同的基因相互作用，那麼它們可能會或可能不會彼此接近。但是，如果在1000種可能性中，它們與相同的50個基因相互作用，那麼它們在這些蛋白複合物中彼此接近的可能性就會大得多。」
Krogan團隊決定探索是否可以用這種推理來確定蛋白複合物在其天然環境--活的生長中的細胞---內的結構。
他們從兩種叫做組蛋白H3和組蛋白H4的蛋白入手，這兩種蛋白形成了一種很好理解的蛋白複合物。他們在酵母細胞中進行了篩選，並利用所得信息建立了組蛋白H3-H4複合物的結構模型。
Braberg說，「我們獲得的結構與現有的關於這種蛋白複合物的數據一致。而且我們的方法的性能與常用的生物化學方法相當，這很了不起，這是因為基因相互作用的數據純粹是基於觀察細胞生長的好壞！」
他們的方法的成功並不局限於H3-H4複合物，這是因為他們在另外兩種蛋白複合物中也得到了類似的結果：一種是酵母中的，另一種是細菌細胞中的。這預示著這種方法可以廣泛應用於更多的蛋白複合物，特別是那些不容易被傳統技術研究的蛋白複合物，比如它們被嵌入到其他細胞成分中，或者體積過大或壽命過短。
Krogan說，「CRISPR-Cas9基因組編輯的最新進展也應該使我們能夠將我們的方法擴展到人類細胞。這種可能性為研究由基因突變或病原體引起的疾病開闢了令人興奮的前景。」
將CRISPR與基因相互作用篩選相結合，Krogan和他的團隊將能夠精確地描述致病突變對蛋白複合物結構的影響，並確定與疾病相關的變化。他的團隊最近利用基因相互作用篩選研究了病毒和人類細胞之間的界面。在這項研究的基礎上，他們如今可以將特定的突變引入病原體的基因組中，並利用人類宿主蛋白的基因相互作用圖譜來了解感染對活細胞的後果。
Krogan說，「這個項目始於15年前，它利用基因相互作用篩選為對蛋白複合物的結構理解提供信息。多年來，我們不斷完善這種方法，並提高了它的威力，如今看到它能以前所未有的解析度告知我們活細胞內發生的生物現象，真的很令人欣慰。」
參考資料：
1.Hannes Braberg et al. Genetic interaction mapping informs integrative structure determination of protein complexes. Science, 2020, doi:10.1126/science.aaz4910.
2.Dong Wang. Using genetics to reveal protein structure. Science, 2020, doi:10.1126/science.abf3863.
3.A Genetic Shortcut to Help Visualize Proteins at Work
https://gladstone.org/news/genetic-shortcut-help-visualize-proteins-work