增强型灵敏度核磁共振揭示了蛋白质结构的新细节

2018-05-16

/ em使用基于动态核极化的新技术,科学家希望深入了解蛋白质结构和功能。 / em

取决于环境,蛋白质可以以不同的方式折叠。这些不同的配置改变蛋白质的功能;错误折叠经常与诸如阿尔茨海默氏症和帕金森病的疾病有关。

到目前为止,很难全面表征蛋白质在自然环境中可能发生的不同结构。然而,麻省理工学院的研究人员利用一种称为灵敏度增强核磁共振(NMR)的新技术表明,他们可以分析酵母蛋白质与细胞内其他蛋白质相互作用形成的结构。

使用基于称为动态核极化(DNP)技术的这种类型的核磁共振,科学家可以获得对蛋白质结构和功能的更多了解,这与现有的核磁共振技术所可能的结果和功能相比,它需要大量从他们平常的环境。

麻省理工学院生物学教授,怀特黑德研究所成员,该论文的高级作者之一,Susan Lindquist说:“动态核极化有能力改变我们对其生物结构在其原生环境中的理解。” 10月8日发行的Cell。

罗伯特格里芬,麻省理工学院化学教授,弗朗西斯苦磁实验室主任,也是该论文的资深作者。肯德拉弗雷德里克,前白石博士后,现在是德克萨斯大学西南大学的助理教授,是该论文的主要作者。

DNP增强的灵敏度

传统的NMR利用原子核的磁性来揭示含有这些核的分子的结构。通过使用与蛋白质中碳原子的核自旋相互作用的强磁场,NMR测量样品中某些单个原子的化学位移,这可以揭示这些原子如何连接。

“你看化学变化的变化,并告诉你,例如,是否有一个α螺旋或β折叠,这是蛋白质骨架经常需要的两种不同构象,”弗雷德里克说。

然而,传统的核磁共振并不是非常灵敏,因为它只允许你从样品中的碳-13核中获得信息,这些信息以0.1%的天然丰度出现。

在过去的20年中,格里芬的实验室一直在发展动态核极化技术,该技术需要使用由回旋管产生的微波来传输从不成对电子到质子,然后是碳核的极化,高频微波振荡器是与麻省理工学院的Richard Temkin物理与等离子科学系和融合中心。此外,麻省理工学院化学系的Tim Swager和他的团队也为实验开发了顺磁偏振剂。这使研究人员能够将碳-13核磁共振谱图中的信号强度提高100到400倍,这是灵敏度非常显着的提高。

使用传统的固态核磁共振,需要约30毫克的纯化蛋白才能在合理的时间内获得信息。但随着DNP灵敏度的提高,蛋白质不再需要纯化,并且可以通常在细胞内发现的数量进行分析。

“这开启了一系列我们可以接触到的全新问题,”弗雷德里克说。 “使用灵敏度增强技术可以让您以正确的水平观察蛋白质,这在您考虑其生物学时非常重要。”

为了确保它们仅获得关于感兴趣蛋白质的数据,研究人员用碳-13(一种稳定的碳同位素)标记了它们的靶蛋白质,而其余蛋白质未标记。

“这种技术有可能在生理条件下真正开展大范围的研究,以前没有人能够做到,”国家强磁场实验室核磁共振计划主任蒂姆克罗斯说,在佛罗里达州立大学。

“你不必结晶蛋白质,你不必把它们放入统一的解决方案。你可以在自然环境中研究它们,这是非常令人兴奋的,“Cross说,他不是研究小组的成员。

蛋白质折叠

在Cell的论文中,研究人员分析了一种叫做Sup35的酵母蛋白,Lindquist的实验室已经研究了很多年。 Sup35是一种朊病毒 - 一种可以形成纠结团块的蛋白质,称为淀粉状蛋白。它的通常功能是帮助细胞终止蛋白质翻译,但是当它呈现淀粉样蛋白结构时,它会停止执行该功能。

这些都是酵母蛋白的正常状态,但是当人类蛋白质形成淀粉样蛋白时,它们通常与疾病有关 - 尤其是神经退行性疾病,如阿尔茨海默病,帕金森病和亨廷顿舞蹈病,以及类风湿性关节炎。

在以前使用纯化的Sup35蛋白的传统核磁共振研究中,科学家们发现,形成淀粉样蛋白的大部分蛋白质具有β折叠结构,类似于手风琴的褶皱。另一个大的部分本质上是无序的,并倾向于翻转而不是形成一致的结构。

然而,在这项新研究中,当研究人员研究被其他细胞蛋白质包围的Sup35时,他们发现内在无序区域实际上呈现出规则结构,他们认为这是一种测试版。但是,弗雷德里克说,需要更强大的分辨率来确定。

弗雷德里克计划继续使用这种核磁共振技术研究其他酵母蛋白以及人类淀粉样蛋白。特别是,她想研究为什么蛋白质可以在不同类型的细胞中呈现不同的构象,或者研究具有不同遗传背景的人的细胞。

出版物:Kendra K. Frederick等人,“Sensitivity-Enhanced NMR Reveals Alterations in Protein Structure by Cellular Milieus”,Cell,2015; DOI:10.1016 / j.cell.2015.09.024

来源:麻省理工学院新闻Anne Trafton