使蛋白質(zhì)模式健壯

正確的蛋白質(zhì)定位對許多基本細胞過程至關重要。LMU物理學家現(xiàn)在已經(jīng)問過如何賦予蛋白質(zhì)濃度變化對模式形成機制的穩(wěn)健性。

在細胞中觀察到的許多基本過程取決于蛋白質(zhì)的正確定位。例如，發(fā)生細胞分裂的分裂平面通過特定蛋白質(zhì)的正確模式來標記，并且應該對所涉及的蛋白質(zhì)的相對濃度的改變具有魯棒性。由Erwin Frey教授領導的Ludwig Maximilian大學物理學家與Petra Schwille教授(慕尼黑馬克斯普朗克生物化學研究所)合作，現(xiàn)在探索了如何實現(xiàn)這種穩(wěn)定性。他們的研究結果發(fā)表在PNAS期刊上。

用于研究生物模式形成的最流行的模型系統(tǒng)之一是Min系統(tǒng)，其限制細胞分裂的平面(由蛋白質(zhì)環(huán)定義)FtsZ)在桿狀細菌大腸桿菌中的中間細胞。該系統(tǒng)包含一小組Min蛋白，其分布在細胞的兩極之間動態(tài)振蕩。它們的凈效應是防止分隔環(huán)在極點附近的膜上組裝，從而將FtsZ限制在電池的中間。Min振蕩是由ATPase酶MinD與其活化劑MinE之間復雜的相互作用建立的。MinE激活膜結合的MinD的酶活性，從而觸發(fā)其結合的核苷酸三磷酸腺苷(ATP)轉化為腺苷二磷酸(ADP)，其導致MinD-ADP釋放到細胞質(zhì)中。然后MinD在細胞質(zhì)中擴散，直到ADP被ATP取代，這使其再次與細胞膜結合。“

Denk和他的共同作者通過將MinE中的構象變化的影響結合到他們的模型中來解決理論和實驗之間的這種沖突，這在激活劑與膜結合時發(fā)生。最近已經(jīng)表明，MinE以兩種不同的結構形式發(fā)生，即開放(“反應性”)和“閉合”(“潛伏”)構象。封閉形式對MinD具有低親和力，即它與MinD結合的可能性非常小。然而，當它結合時，MinE迅速轉化為開放形式，其對MinD-ATP具有高親和力。一旦處于這種狀態(tài)，MinE激活MinD的ATP酶功能，并且MinE和MinD-ADP都從膜上釋放。研究人員認為，MinE的活性形式短暫地保持在開放的構象中，因此可以“跳躍”最近的膜結合MinD。如果它找不到足夠快的一個，它將恢復到封閉的低親和力構象。“這種在兩種構象之間切換的能力對于圖案形成的穩(wěn)健性至關重要，并且即使對于強烈增強的MinE濃度也能形成圖案，正如我們的模擬顯示的那樣，”Frey說。實際上，由Simon Kretschmer(Schwille小組成員)進行的體外實驗證實了這些模擬的結果。

這種修改后的模型為調(diào)節(jié)生物模式形成的機制提供了新的見解，這對其他模式形成系統(tǒng)有影響。Frey及其同事認為，面對組分濃度變化的穩(wěn)健性可以提供進化優(yōu)勢，因為它賦予細胞更高程度的靈活性。擴展與錯誤模式形成相容的可容忍余量確保了當相對蛋白質(zhì)水平改變時仍然可以形成模式。

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