蛋白质组学

美发明新型固体NMR法检测蛋白结构

 

近日,美国俄亥俄州立大学、国立卫生研究所(NIH)信息技术中心的研究人员在《Nature chemistry》杂志上发表最新研究成果“Protein fold determined by paramagnetic magic-angle spinning solid-state NMR spectroscopy”,他们将固体核磁共振技术与顺磁标记物(paramagnetic tags)结合起来,获得了一种新型的固体NMR方法,并利用这一技术检测了蛋白质分子的形状,从而可以更好地了解这些分子在健康细胞中的关键功能及参与致病的机理。

蛋白质生命活动的真正执行者,对其功能的研究具有重要的生物学意义和利用价值。而蛋白质三维结构的确定为蛋白质功能的确定提供重要线索。长期以来,研究人员花费大量的心血来分析蛋白质的三维结构,通过了解这些复合体的结构来揭示蛋白质功能的丰富信息。

X射线晶体学是生物学研究中蛋白质空间结构测定的一种常用方法。X射线晶体学的特点是可以确定原子精度的结构,对于有机分子 和蛋白质,可以给出几百到上万个原子的相对坐标。10年前,固体核磁共振(NMR)波谱的技术的诞生更是在X射线晶体学技术上取得了极大的飞跃,可帮助研究人员检测X射线晶体学无法确定的蛋白质的原子排列。尽管固体核磁共振技术非常精确,但将其获得的数据转化为真正的三维蛋白质结构却仍然非常困难,是该学科研究面临的一个瓶颈问题。

在这篇文章中,俄亥俄州立大学的化学系副教授Christopher Jaroniec及同事们将固体核磁共振技术与顺磁标记物(paramagnetic tags)结合起来,获得了一种新型的固体NMR方法,并利用这一技术检测了蛋白质分子的形状。

Jaroniec 说:“生物分子的结构信息对于理解它们的功能具有至关重要的意义。我们新技术有助于辅助NMR快速确定其他技术难于分析的蛋白质系统的结构,例如阿尔茨海默氏症中的淀粉样蛋白。”

为了检验他们的新技术,研究人员选择了在链球菌中普遍存在的一种称为GB1的蛋白,过去科学家们针对GB1开展了大量的研究,也早已知晓它的结构。研究人员构建出了一种形式的GB1蛋白,将该蛋白沿着氨基酸链的某类氨基酸置换成了不同的氨基酸——半胱氨酸,这些半胱氨酸为另一种包含一个铜原子的标记物结合提供了适当的化学条件。研究人员将这种氨基酸铜标记物称之为“顺磁分子”。 它们能够显著影响NMR设备磁场中不同蛋白原子发送的信号。采用这一方法,研究人员快速确定了蛋白质原子相对于顺磁标记物的定位,利用这一信息计算出了GB1蛋白的折叠形状。

Jaroniec 表示:“尽管本研究只是在小模型蛋白中检测了这一技术,但它的实际应用却非常广泛。我们希望这一技术将来可以应用到大量更大、更具难度的蛋白质研究中去。”

原文摘要:

Protein fold determined by paramagnetic magic-angle spinning solid-state NMR spectroscopy

Biomacromolecules that are challenging for the usual structural techniques can be studied with atomic resolution by solid-state NMR spectroscopy. However, the paucity of distance restraints >5 Å, traditionally derived from measurements of magnetic dipole–dipole couplings between protein nuclei, is a major bottleneck that hampers such structure elucidation efforts. Here, we describe a general approach that enables the rapid determination of global protein fold in the solid phase via measurements of nuclear paramagnetic relaxation enhancements (PREs) in several analogues of the protein of interest containing covalently attached paramagnetic tags, without the use of conventional internuclear distance restraints. The method is demonstrated using six cysteine–EDTA –Cu2+ mutants of the 56-residue B1 immunoglobulin-binding domain of protein G, for which ~230 longitudinal backbone 15N PREs corresponding to distances of ~10–20 Å were obtained. The mean protein fold determined in this manner agrees with the X-ray structure with a backbone atom root-mean-square deviation of 1.8 Å.

原文链接: Nature chemistry

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