利用信息學(xué)工具識(shí)別蛋白質(zhì)翻譯后修飾(PTM)活動(dòng)的“熱點(diǎn)”，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種先前未知的機(jī)制，它將制動(dòng)器置于涉及大多數(shù)生物體中發(fā)現(xiàn)的G蛋白的重要細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程中。

這種被稱為“尾巴”的機(jī)制是一種小蛋白質(zhì)的一部分，這種蛋白質(zhì)主要是因?yàn)樗鼘⑤^大的結(jié)構(gòu)連接到細(xì)胞膜上。當(dāng)研究人員使尾部失活時(shí)，之前需要30分鐘發(fā)生的信號(hào)反應(yīng)幾乎立即發(fā)生 - 強(qiáng)度是正常情況的四倍。

該研究發(fā)生在酵母中，但如果在人類G蛋白中發(fā)生類似的過(guò)程，該發(fā)現(xiàn)可以為控制重要的細(xì)胞過(guò)程提供新的藥物靶標(biāo) - 并且可能提供一類新的生物傳感器，能夠更靈敏地檢測(cè)和響應(yīng)某些化學(xué)物質(zhì)代理商。該研究得到了美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院國(guó)家普通醫(yī)學(xué)研究所(NIGMS)的支持，于5月1日在Cell Reports上發(fā)表。

佐治亞理工學(xué)院生物科學(xué)學(xué)院副教授馬修托雷斯說(shuō)：“我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種機(jī)制，可以調(diào)節(jié)通路受外界刺激的速度。”“通過(guò)遺傳改變這個(gè)過(guò)程背后的控制機(jī)制，我們能夠調(diào)節(jié)來(lái)自細(xì)胞外部的信號(hào)有多少進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)以及它通過(guò)的速度。這更令人驚訝，因?yàn)檫@種機(jī)制一直隱藏在視線中幾十年。“

G蛋白，也稱為鳥(niǎo)嘌呤核苷酸結(jié)合蛋白，是作為細(xì)胞內(nèi)分子開(kāi)關(guān)起作用的分子家族。它們將從各種細(xì)胞外刺激獲得的信號(hào)傳遞到細(xì)胞內(nèi)部 - 通過(guò)膜，否則將不允許通信。

托雷斯和博士候選人Shilpa Choudhury發(fā)現(xiàn)的尾巴可能沒(méi)有受到關(guān)注，因?yàn)樗`活地附著在一個(gè)名為G beta / gamma的緊密合作的蛋白質(zhì)團(tuán)隊(duì)的G蛋白γ亞基上。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)通常通過(guò)X射線晶體學(xué)技術(shù)鑒定，該技術(shù)不能解析運(yùn)動(dòng)中的結(jié)構(gòu)。

在他們的工作之前，Gγ亞基主要被認(rèn)為是將較大的Gβ亞基連接到細(xì)胞膜的蛋白質(zhì)。沒(méi)有SAPH-ire的工作 - 一個(gè)使用機(jī)器學(xué)習(xí)映射PTM活動(dòng)的信息學(xué)程序 - 尾部結(jié)構(gòu)的作用可能尚未確定。

“多年來(lái)，人們一直關(guān)注G beta / gamma作為一個(gè)完整的單元，而不是單獨(dú)的組件，”該論文的第一作者Choudhury說(shuō)。“與較大的Gβ亞基相比，γ是一種微小的蛋白質(zhì)，但我們現(xiàn)在知道它在信號(hào)系統(tǒng)的活動(dòng)中起著重要作用。”

在酵母中，Gβ/γ亞基激活響應(yīng)信息素的信號(hào)傳導(dǎo)途徑，該過(guò)程通常在細(xì)胞膜上刺激信息素受體后約30分鐘。Torres和Choudhury懷疑蛋白質(zhì)修飾PTM以某種方式導(dǎo)致延遲。他們的計(jì)算機(jī)程序SAPH-ire--在Torres實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)并于2015年宣布 - 直指G gamma亞單位。

該程序分析現(xiàn)有的蛋白質(zhì)序列和PTM活動(dòng)的元數(shù)據(jù)庫(kù)，揭示蛋白質(zhì)改變的“熱點(diǎn)”。SAPH-ire旨在加速尋找蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要調(diào)控目標(biāo)，并更好地了解蛋白質(zhì)如何在細(xì)胞內(nèi)相互通信。

從使用質(zhì)譜法的全球PTM數(shù)據(jù)庫(kù)中抽取來(lái)鑒定化學(xué)改變的序列，SAPH指向Gγ蛋白上的特定位置。使用基因突變技術(shù)，Choudhury修飾了蛋白質(zhì)的一部分，使尾部結(jié)構(gòu)失活。

但是，僅僅從過(guò)程中移除尾部是不夠的。為了激活信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程，尾部的結(jié)構(gòu)必須與單獨(dú)的效應(yīng)蛋白相互作用。當(dāng)兩者都被滅活時(shí)，研究人員看到受體受到刺激時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大影響。

托雷斯說(shuō)：“你可以把信號(hào)通路想象成一個(gè)沿著山坡行駛的車輪，自行車制動(dòng)器的兩個(gè)墊子正在抓住車輪以減速它。”“激活信息素受體就像將車輪從山上釋放一樣。當(dāng)兩個(gè)制動(dòng)器都處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，車輪移動(dòng)速度非常慢，因?yàn)閮蓚€(gè)制動(dòng)器一起工作以減慢其速度和動(dòng)量。這就是通路如何正常運(yùn)行受體刺激后立即細(xì)胞。“

“如果你帶走其中一個(gè)制動(dòng)器，你會(huì)得到部分制動(dòng)，并且車輪可以稍微移動(dòng)得更快，但仍然可以盡可能快地限制移動(dòng)。這就是前20分鐘內(nèi)通路在正常細(xì)胞中的表現(xiàn)但是如果你消除了這兩種制動(dòng)，那么將它們放下山坡會(huì)導(dǎo)致非常高的速度和動(dòng)量 - 有點(diǎn)像沒(méi)有調(diào)速器的高爾夫球車。“

這正是Choudhury在G gamma和效應(yīng)蛋白上阻止PTM時(shí)發(fā)生的情況。“當(dāng)我們這樣做時(shí)，我們看到信號(hào)通路的快速激活發(fā)生的速度提高了6倍，并且比通常情況下通路制動(dòng)完好的情況強(qiáng)4倍。”

除了確定該途徑的控制機(jī)制外，研究人員還了解了它如何控制酵母以類似“開(kāi)關(guān)”的方式響應(yīng)信息素的能力，這種方式可以打開(kāi)或關(guān)閉，而模擬方式類似于音量旋鈕。立體聲。

雖然托雷斯和喬杜里在酵母中發(fā)現(xiàn)了它們的發(fā)現(xiàn)，但他們相信它會(huì)產(chǎn)生廣泛的影響，因?yàn)樗泻蠫蛋白的生物，包括人類，都有G伽尾，其中充滿了PTM。接下來(lái)的步驟將是觀察人體細(xì)胞中Gγ亞基和Gβ/γ效應(yīng)子是否表現(xiàn)出相同類型的制動(dòng)系統(tǒng)。如果是這樣，那么可以提供可以識(shí)別潛在新藥物目標(biāo)的見(jiàn)解。

“尾部存在，在控制與Gβ/γ效應(yīng)物相互作用的過(guò)程中非常重要，這對(duì)于打開(kāi)信號(hào)通路至關(guān)重要，”托雷斯說(shuō)。“我們懷疑G gamma作為調(diào)節(jié)因子G蛋白信號(hào)傳導(dǎo)的重要性將超越任何一種生物體。”