我們的老朋友釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)- 這種酵母可以幫助人們烤面包和釀造啤酒數(shù)千年- 它的性生活剛剛升級。

華盛頓大學(xué)的生物工程師已經(jīng)對這種單細(xì)胞生物的交配習(xí)性進(jìn)行了重新編程，讓真菌以前所未有的方式進(jìn)行。結(jié)果?性革命可能導(dǎo)致科學(xué)家更安全的未來藥物。

酵母作為實驗室豚鼠

我們已經(jīng)比酵母更多地依賴酵母了。我們對遺傳學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)的現(xiàn)代認(rèn)識大部分來自對真菌的仔細(xì)研究和操作。

科學(xué)家和藥物設(shè)計師喜歡使用酵母，因為它的細(xì)胞周期很快(新一代每90分鐘出生一次)，而且它的基因可以相對容易地進(jìn)行調(diào)整。甚至人類基因和編碼基于蛋白質(zhì)的藥物的基因也可以被拼接，允許研究人員在實驗室中詳細(xì)研究它們?？拱┧幬镆呀?jīng)通過這種方式進(jìn)行了優(yōu)化。

這種類型的生物分子研究最流行的技術(shù)之一被稱為酵母表面展示。使用這種方法，可以將基因添加到酵母中，并且產(chǎn)生的蛋白質(zhì)將出現(xiàn)在細(xì)胞易于接近的外表面上。通過在表面展示新蛋白質(zhì)，研究人員可以輕松確定蛋白質(zhì)與其他生物分子相互作用。

這種方法在Dane Wittrup的實驗室中首創(chuàng)，利用了真菌的性機(jī)器方面。

是的，即使是單細(xì)胞微生物也可以發(fā)生性行為。但正如動物王國之外的情況一樣，DNA交換的方式對于人類觀察者來說似乎并不常見。

真菌奸淫

術(shù)語“雄性”和“雌性”并不真正適用于芽殖酵母。酵母的性細(xì)胞看起來都是一樣的 - 而不是形成精子或卵子 - 就像微小的單細(xì)胞斑點一樣。是什么讓兩個酵母斑點能夠進(jìn)行性繁殖，這就是它們所謂的交配類型。

裝飾酵母性細(xì)胞或配子外部的蛋白質(zhì)決定細(xì)胞的交配類型。放上一種蛋白質(zhì)的副本，你就是一種交配型;將它們換成不同的蛋白質(zhì)，你就是另一種蛋白質(zhì)。只有來自相對交配類型的酵母配子的表面蛋白質(zhì)相互作用時才會發(fā)生凝集(酵母性別的非語義術(shù)語)。

受這種分子精確度的啟發(fā)，由華盛頓大學(xué)研究生David Younger領(lǐng)導(dǎo)的合成生物學(xué)家團(tuán)隊意識到他們可以將天然酵母交配系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一種新工具，使他們能夠以更大的規(guī)模精確測量分子相互作用。

雖然微小且難以測量，但分子相互作用在藥物設(shè)計中是一個大問題。事實上，每種藥物都通過與其靶標(biāo)的特定相互作用起作用，并且藥物結(jié)合它們不應(yīng)該致死的地方。

一些專家指責(zé)去年失敗的Alnylam Pharmaceuticals'revusiran III期臨床試驗的脫靶相互作用，這是一種用于治療罕見心臟病的RNA藥物。在審判被取消之前，有19人死亡，該公司的股票遭受了30億美元的打擊。

弄清楚新藥是否與其應(yīng)有的結(jié)合是相對容易的;弄清楚它是否與我們細(xì)胞中的任何其他物質(zhì)結(jié)合是很困難的。已建立的實驗室技術(shù)，如酵母表面顯示，幫助科學(xué)家在進(jìn)入臨床試驗之前篩選出可能具有潛在危險的脫靶相互作用的新藥物，但該技術(shù)可讓您一次只查找一次脫靶相互作用。Younger的團(tuán)隊設(shè)想了一種方法，通過重新設(shè)計酵母性別來測試數(shù)百種針對數(shù)千種潛在目標(biāo)的藥物。

用多種交配類型重新設(shè)計酵母性別

首先，雅戈爾需要一種精確測量實驗室生長酵母中交配效率的方法。完美的效率意味著每個可融合的細(xì)胞都會這樣做。交配越有效，兩種交配類型越匹配。

該團(tuán)隊將遺傳編碼的熒光標(biāo)記 - 一種藍(lán)色，一種紅色 - 與每種天然酵母交配類型聯(lián)系起來。這使得測量整個酵母種群的交配效率變得簡單：它們可以計算保持藍(lán)色或紅色(未配對)的細(xì)胞與變成紫色(交配)的細(xì)胞。事實證明，在實驗室中種植的典型酵母，交配效率約為60%。

然后研究小組刪除了天然凝集蛋白，并將其替換為一對已知弱相互作用的外來蛋白。交配效率下降了十倍，達(dá)到5.7%。他們交換另一對，看到它升至19%。當(dāng)他們嘗試第三對已知能夠以更高親和力相互作用的蛋白質(zhì)時，交配效率上升至51.6% - 接近于天然凝集中所見。

只需跟蹤交配效率，團(tuán)隊就能分辨出兩種蛋白質(zhì)分子的相互作用程度。當(dāng)他們檢查一對不應(yīng)該相互作用的蛋白質(zhì)時，交配效率僅為0.2%。

現(xiàn)在，科學(xué)家們不僅可以通過兩種自然交配類型，而是通過誘導(dǎo)個體酵母用新的人類特定蛋白質(zhì)裝飾細(xì)胞外部來快速設(shè)計成千上萬的“性別”。如果一對新的交配類型是性相容的 - 意味著蛋白質(zhì)裝飾它們的細(xì)胞表面相互作用 - 它們的后代數(shù)量會增加。通過在不比頂針大得多的管中計算每個遺傳上不同的后代，可以量化數(shù)千種潛在的分子相互作用。

提高藥物安全性

為了證明他們的新工具可以幫助藥物開發(fā)，該團(tuán)隊產(chǎn)生了1,400種不同的新型抗癌藥物XCDP07。該藥物被認(rèn)為破壞癌細(xì)胞的生長奔放細(xì)胞通過結(jié)合特定的細(xì)胞目標(biāo)，但與每一種藥物，顯著脫靶相互作用可能使其無效。通過將展示不同版本藥物的酵母與展示人類蛋白質(zhì)的其他酵母混合，該團(tuán)隊能夠識別僅與預(yù)期目標(biāo)結(jié)合的XCDP07版本。

雅戈爾正在努力將他的新工具交給更多的科學(xué)家。他已經(jīng)為斯坦福大學(xué)，耶魯大學(xué)，加州大學(xué)圣地亞哥分校及其他國家的研究人員提供了他的工程酵母菌株。對新興藥物的成本和安全性的擔(dān)憂促使他創(chuàng)辦了一家公司 - 由科學(xué)助學(xué)金而非投資者資助 - 將他的成果轉(zhuǎn)化為下一代藥物。雅戈爾說，目標(biāo)是提供“全面的臨床前藥物篩查，而不是目前篩選可能的脫靶相互作用的一小部分的做法”。

下一個重磅藥物可能欠酵母及其交配行為的債務(wù)。誰說你不能教一種古老的真菌新技巧?