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Cell：利用新方法绘制蛋白与代谢物之间的相互作用组

2018.2.09

　　在一项新的研究中，来自瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员利用一种新的方法来发现细菌细胞中的蛋白和小的代谢分子之间之前未知的相互作用。该技术也能够被用来测试药物的效果。相关研究结果发表在2018年1月11日的Cell期刊上，论文标题为“A Map of Protein-Metabolite Interactions Reveals Principles of Chemical Communication”。

图片来自Ilaria Piazza / ETH Zurich / PDB database entry 4MQT

　　科学家们如今有一种新的“组学（omics）”---相互作用组学（interactomics），涉及处理蛋白与小分子之间的相互作用。之前专注于研究基因组学或蛋白质组学，如今系统生物学能够将蛋白-代谢物相互作用增加到其中。基因组学涉及系统性分析有机体中的所有基因，而蛋白质组学涉及处理一个生物学单元中的完整的一套蛋白。

　　利用蛋白-代谢物相互作用组学，由苏黎世联邦理工学院分子系统生物学教授Paola Picotti领导的一个研究团队如今为现有的“组学”增加了另一个层次。他们首次在全蛋白质组水平上系统地分析和定量确定所有蛋白与代谢物（小的代谢分子）之间的相互作用，并建立它们之间的关系。

　　不同的切割位点

　　这些研究人员展示了大肠杆菌细菌细胞中存在的多少种蛋白和酶与代谢物相互作用。为此，他们采用了一种被称为有限蛋白水解（limited proteolysis,LiP）的方法，并结合质谱分析。这些研究人员从细菌细胞中提取含有蛋白的细胞液体。然后，他们将一种代谢产物添加到每种样品中，并允许它与这些蛋白相互作用。最终，他们利用“分子剪刀”将这些蛋白切成较小的片段（肽）。总的来说，他们以这种方式测试了20种不同的代谢物以及它们与蛋白之间的相互作用。

　　当一种蛋白与一种代谢物相互作用时，无论这种代谢物结合到这种蛋白的活性位点上还是附着于它的另一个位点，这种种蛋白的结构都会发生改变。这种“分子剪刀”随后将其从这种蛋白的原始结构的不同位置进行切割，从而产生一组不同的肽。

　　利用质谱仪，这些研究人员测量了样品中存在的所有的肽，并将这些获得的数据输入到计算机中，从而重建这种蛋白的结构差异和变化，并确定这些肽位于这种蛋白的位置。

　　发现数百种新的相互作用

　　在此之前相对于不同蛋白之间的或蛋白与DNA或RNA之间的相互作用，对蛋白-代谢物的相互作用组（蛋白与代谢物之间的相互作用，以及属于这种相互作用的分子信号网络）的了解是非常有限的。如今，这项研究显著增加了这方面的知识。

　　利用这种方法研究大肠杆菌，Picotti和她的研究团队发现了大约1650种不同的蛋白-代谢物相互作用，其中超过1400种相互作用是是之前未知的。他们也发现了代谢物结合到蛋白上的成千上万的结合位点。Picotti说，“尽管大肠杆菌和相关分子的代谢已经是众所周知的，但我们成功地发现了许多新的相互作用和相应的结合位点。”这证实了这种方法的巨大潜力：“我们用这种技术产生的数据将有助于识别新的调节机制、未知的酶和细胞中的新的代谢反应。”

　　结构变化调节活性

　　在他们的研究中，研究人员还证实小的代谢分子更喜欢结合（并因此调节）浓度随时间的变化或多或少保持不变的蛋白。这提示着代谢物与蛋白的结合和蛋白浓度的变化是细胞调节蛋白质活性的两条互补的途径。

　　蛋白能够被代谢物介导的结构变化相对快速地被激活或失活。Picotti解释道，“这种结构变化能够更快地加以逆转。”从细胞的角度来看，这通常是有道理的，这是因为使用这种涉及浓度变化的途径意味着细胞必须拆除或重建蛋白，这花费更多的时间、能量和资源。

　　Picotti和她的同事们也能够证实许多酶的选择性比以前认为的更少：它们能够明显地结合并在化学上改变几种不同的代谢物。到目前为止，人们认为酶对于几种非常相似的分子大多是特异性的。

　　制药行业对这种新方法是非常感兴趣的，这是因为它能够被用来测试药物与细胞蛋白之间的相互作用并确定药物的作用靶标。研究人员还可能研究药物与哪些蛋白和哪些位点结合，如何改变它们的结构，从而影响它们的活性。这将促进和加速新药的测试和开发。

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