16個(gè)艾滋病毒蛋白(藍(lán)色)的相互作用
不久之前，科學(xué)家們還在為人類基因組序列草圖的繪制完成感到歡欣鼓舞，另一方面，**的蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)圖譜的繪制同樣備受期待。2012年4月的Nature雜志就刊登了兩個(gè)研究小組在這方面的新研究成果。
生物學(xué)家們通過(guò)幾種方式來(lái)檢測(cè)獲得的蛋白質(zhì)互作數(shù)據(jù)。他們通常會(huì)將蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)互作網(wǎng)絡(luò)分層放置到其他網(wǎng)絡(luò)上。例如在鑒別出調(diào)控某個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄因子后，他們會(huì)進(jìn)一步搜索數(shù)據(jù)庫(kù)和文獻(xiàn)尋找轉(zhuǎn)錄因子的互作伴侶蛋白。研究人員也會(huì)探討一組蛋白間相互連接的機(jī)制，基于網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，例如將具有多互作伴侶的蛋白質(zhì)分類，由此來(lái)設(shè)置問(wèn)題。
然而韋恩州立大學(xué)醫(yī)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)學(xué)家Russell Finley警告說(shuō)，并非所有的互作數(shù)據(jù)都是相等的。Finley認(rèn)為結(jié)合質(zhì)量檢測(cè)有可能使數(shù)據(jù)更具權(quán)威性。當(dāng)前精明的研究人員借助于多種不同的檢測(cè)手段來(lái)獲取更多的信息，借此來(lái)濾除一些蛋白質(zhì)互作，但這些“直覺(jué)性的過(guò)濾”有可能存在偏倚。例如，蛋白質(zhì)研究越深入，就會(huì)發(fā)現(xiàn)越多的互作。Finley說(shuō)更好的辦法就是考量所有的現(xiàn)有數(shù)據(jù)，通過(guò)評(píng)分來(lái)反饋一種互作真實(shí)存在的可能性。計(jì)算機(jī)分析可用于評(píng)估更多的互作，對(duì)那些較高信任評(píng)分的蛋白給予更多的權(quán)重。
一周內(nèi)酵母雙雜交可以探測(cè)出數(shù)以萬(wàn)計(jì)的潛在蛋白質(zhì)互作
一種互作有可能存在，卻并沒(méi)有實(shí)際意義。加拿大蒙特利爾大學(xué)生物化學(xué)家Stephen Michnick說(shuō)“首先真正的問(wèn)題是什么互作具有意義。一種互作有可能在多種分析中獲得很好的重現(xiàn)，但卻不具有生物重要性?！睋Q句話說(shuō)，這種互作沒(méi)有什么明顯的影響：它不會(huì)導(dǎo)致一種分子機(jī)器開(kāi)啟或終止，一種酶激活或另一種蛋白破壞。
Michnick在完成了一項(xiàng)可在更天然的背景下進(jìn)行蛋白互作分析的綜合研究后得出了這些結(jié)論。在蛋白質(zhì)片段互作分析中，互作蛋白重構(gòu)出一種酵母在培養(yǎng)條件下生存所需的酶。他們鑒別出了大約3000種新互作，大量涉及膜蛋白和其他未達(dá)到細(xì)胞核的蛋白。
然而他們對(duì)觀察的成千上萬(wàn)種其他的蛋白質(zhì)互作卻表示信心不足。Michnick 說(shuō)：“我們非常驚訝，一些已知的蛋白生成了太多的互作，或是沒(méi)有生物學(xué)意義的互作。我們認(rèn)為我們采用了**的方法，因此我們應(yīng)該得到**的結(jié)果。我們于是想到，如果我們正在看到的是垃圾互作，其他的人正在尋找的是垃圾互作，那什么是垃圾?”Michnick認(rèn)為答案就是在自然情況下就存在一些“垃圾”互作，就像部分DNA似乎沒(méi)有功能，而僅僅是存在著。
Michnick認(rèn)為甚至在**篩選中也可能有多達(dá)一半的互作沒(méi)有生物學(xué)功能。應(yīng)對(duì)大量的蛋白持懷疑態(tài)度，但是如果一對(duì)相同的蛋白總是一同被發(fā)現(xiàn)，那么這種互作更有可能是真實(shí)的，這同樣適用于跨越多個(gè)物種的互作。
加州大學(xué)圣地亞哥分校網(wǎng)絡(luò)生物學(xué)家Trey Ideker表示他更擔(dān)心的是已經(jīng)觀察到的是非常小的一部分。“目前我們并不知道如何找到通往功能性互作的捷徑，尚缺乏一些無(wú)偏倚的途徑來(lái)獲取所有互作。我們用手電筒照亮了20%的區(qū)域，其他80%還處于黑暗中。事實(shí)上，沒(méi)有人知道互作的范圍有多大，但是所有人都一致認(rèn)為我們離繪制這一圖譜還有相當(dāng)?shù)木嚯x?！?/p>
現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)互作已經(jīng)多到無(wú)法逐個(gè)開(kāi)展研究。Ideker認(rèn)為好的方法就是以數(shù)據(jù)庫(kù)的形式來(lái)思考。“我已經(jīng)擁有了如此龐大的互作數(shù)據(jù)，我該如何才能更好的查詢它?”
一種策略是將圍繞重點(diǎn)問(wèn)題的不同數(shù)據(jù)集組合到一起。例如，Ideker決定進(jìn)行酵母雙雜交(Y2H)篩查找出參與絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)的蛋白質(zhì)互作。MAPK是調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng)、分化和生存的一個(gè)重要的**靶標(biāo)。Ideker和他的同事們挑選出了150種與該信號(hào)通路相關(guān)的蛋白質(zhì)，并利用Y2H分析探究了它們的互作伴侶。由此發(fā)現(xiàn)了大約1500種蛋白，超過(guò)2000種互作。
從中他們挑選了十幾個(gè)從前未證實(shí)與MAPK級(jí)聯(lián)相關(guān)的蛋白，利用RNA干擾抑制已確定互作伴侶的表達(dá)。在約三分之一的情況下，RNA抑制改變了級(jí)聯(lián)反應(yīng)中基因的表達(dá)，表明這些互作是具有功能性的。后續(xù)研究提供了頭個(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù)證實(shí)一種稱為NHE-1的蛋白充當(dāng)了MAPK的支架。
Ideker說(shuō)首先從互作著手，再用其他的數(shù)據(jù)逐個(gè)排除，研究人員就可以發(fā)現(xiàn)新的生物學(xué)。
研究人員還可以深入了解蛋白質(zhì)物理互作機(jī)制。今年，美國(guó)康奈爾大學(xué)的于海源(Haiyuan Yu)博士及同事將蛋白互作網(wǎng)絡(luò)與關(guān)于互作蛋白配體結(jié)構(gòu)信息整合到一起生成了一個(gè)可定位**相關(guān)突變的三維平臺(tái)。
他們將幾種建立的蛋白質(zhì)互作、互作的物理結(jié)構(gòu)以及遺傳檢測(cè)的數(shù)據(jù)集組合到一起證實(shí)當(dāng)突變不能阻止蛋白質(zhì)表達(dá)時(shí)仍可導(dǎo)致**。此外，研究人員還證實(shí)這些突變更有可能發(fā)生在蛋白質(zhì)的互作界面?！霸谶^(guò)去的十年里，生物學(xué)家們一直使用這一數(shù)學(xué)定義。每個(gè)蛋白就是一個(gè)數(shù)學(xué)圓點(diǎn)?，F(xiàn)在我們知道蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)對(duì)于功能極其重要，”于海源說(shuō)。
歐洲分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室Anne-Claude Gavin主要從事蛋白質(zhì)復(fù)合物研究，她認(rèn)為從了解一種互作是否在特定的細(xì)胞類型中或某些情況下發(fā)生的信息到揭示其功能還有相當(dāng)長(zhǎng)的一段路?！盎プ鞅仨毷潜尘耙蕾囆缘?它們必須在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)開(kāi)始，另一個(gè)時(shí)間點(diǎn)結(jié)束?！钡沁@類研究難度非常大，且少有人開(kāi)展。“這是一個(gè)我們還無(wú)法理解的復(fù)雜水平層面，”Gavin說(shuō)。
為了了解背景下的蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)互作，研究人員需要將它們挑選出來(lái)開(kāi)展針對(duì)性的研究。
有時(shí)候，可采用一些篩查技術(shù)深度追蹤特異性的互作。例如，可用熒光蛋白或熒光素酶作互補(bǔ)性檢測(cè)追蹤互作蛋白。由于不同顏色的熒光蛋白非常相似，可通過(guò)檢測(cè)一種蛋白篩查同一細(xì)胞中兩種或更多的蛋白互作。一種蛋白用黃色熒光蛋白片段標(biāo)記，**種蛋白用青色熒光蛋白片段標(biāo)記，其他檢測(cè)蛋白攜帶兩種熒光蛋白共有的片段。這樣可以顯示出哪些蛋白互作正在發(fā)生，它們?cè)诩?xì)胞的何處發(fā)生互作。熒光素酶互補(bǔ)測(cè)試還可與多種顏色的蛋白質(zhì)一起使用，其擁有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是酶容易分裂和改造，這使得研究人員能夠研究互作破壞的機(jī)制。成像技術(shù)例如生物發(fā)光共振能量轉(zhuǎn)移和熒光共振能量轉(zhuǎn)移可用于活細(xì)胞。它們利用的是遺傳標(biāo)記蛋白，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)相互接觸時(shí)這些標(biāo)記蛋白就會(huì)發(fā)光，因此被用于多種分析中。還可以用其他的分析分別標(biāo)記兩種蛋白，并檢測(cè)它們是否一同在細(xì)胞內(nèi)移動(dòng)。
相比于大規(guī)模篩查，一次一個(gè)的蛋白互作研究不單昂貴而且速度較慢，但也是非常重要的。Uetz說(shuō)：“終你還是應(yīng)該深入到實(shí)際的互作中。”
隨著人們對(duì)蛋白質(zhì)互作機(jī)制的了解加深，未來(lái)這一技術(shù)勢(shì)必越來(lái)越造福人類。
原文摘要：
Proteomics: The interaction map
As increasing numbers of protein–protein interactions are identified, researchers are finding ways to interrogate these data and understand the interactions in a relevant context.
Around the time that scientists celebrated the completion of the draft sequence of the human genome, papers from two separate groups described results of another project that tested all the possible pairings of thousands of yeast proteins to see whether they interact.
The importance of protein–protein interactions is beyond dispute. Little happens in a cell without one protein 'touching' another. Whether a cell divides, secretes a hormone or triggers its own death, protein–protein interactions make the event happen. Consequently, comprehensive maps showing which proteins came together in a yeast cell were much anticipated.
