2022-03-17

Nat Comm | 纳米孔单分子精度识别溶液中的蛋白质

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收录于话题#前沿分子生物学技术

被称为WD40重复蛋白5（WDR5）的蛋白质中枢参与复杂的多步骤活动，例如表观遗传调节和细胞分裂。说白了，WDR5是一个多任务处理程序。然而，像许多多任务处理程序一样，它的运行方式很难遵循。因此，当它出现故障时，它的失误可能和一个近乎完美的杂耍演员的错误一样难以分析。

不管被篡改的对象碰巧是什么，失误或错误都归结为时机不当。考虑WDR5可能出现的失误——可能导致癌症等疾病状态的失误。在这些情况下，在蛋白质之间的结合或分离过程中，可能会花费太少或太多的时间。

为了更好地了解WDR5与其他蛋白质的瞬时相互作用，雪城大学的研究人员设计了一种高度灵敏的纳米孔传感器。研究人员断言，他们的纳米孔传感器可以在溶液中以单分子保真度检测WDR5。他们补充说，他们已经使用名为MLL4WintFhuA的纳米孔传感器来研究多模式蛋白质识别事件。

研究人员在《Nature Communications》上发表了一篇题为“Disentangling the recognition complexity of a protein hub using a nanopore”的文章，详细介绍了他们的发现。他们描述了他们的纳米孔传感器如何将来自大肠杆菌的异羟肟酸铁摄取组分A（FhuA）的单体β-桶支架（一种名为tFhuA的结构）和WDR5配体混合谱系白血病4（MLL4Win）甲基转移酶的14个残基Win基序结合在一起。

“我们的方法揭示了MLL4Win-WDR5相互作用的广泛动态范围和三个遥远的结合事件亚群，代表了三种蛋白质识别模式。”该文章的作者写道，“这三个结合事件被确认为使用弱结合WDR5衍生物和各种环境背景的特定相互作用。”

这项工作由美国国立卫生研究院国家普通医学科学研究所（NIGMS）提供的为期四年、价值120万美元的研究项目资助（R01），于2018年授予物理学教授Liviu Movileanu博士。该研究团队还包括Movileanu实验室的研究生Lauren Ashley Mayse和Ali Imran，以及纽约州立大学北部医科大学、Ichor Therapeutics和美国国立卫生研究院儿童健康与人类发展研究所的其他研究人员。

该团队的工作最终创造了一种能够检测和量化WDR5的超灵敏设备。研究人员设计、开发并验证了一种生物传感器，该传感器由合成膜上的一个小孔（纳米孔）组成，能够以单分子精度识别溶液中的蛋白质。

生物传感器的通道状底座允许离子溶液流过。离子流的变化作为特定分子存在的信号，在本例中为WDR5。

“背后的想法是设计出带有钩子的纳米孔，这些钩子可以从溶液中提取某些蛋白质。”同样也是BioInspired Institute成员的Movileanu说，“通过一次一个地从溶液中捕获它们，我们可以更好地了解这些蛋白质的功能。”

该团队揭示了有关WDR5与其他蛋白质结合和分离的条件的新细节。这些细节将使研究人员能够更好地了解WDR5和其他多任务分子如何履行其各种职责。

“蛋白质需要在短时间内相互交流。”Movileanu解释道，“在大多数癌症中，至少有一种蛋白质位于另一种蛋白质上，或者与另一种蛋白质交流的时间比需要的时间长得多。许多生物技术公司希望开发干扰这些相互作用的药物。”

Mayse分享说，他们的研究揭示了有关WDR5独特界面的新信息，在这个界面上，一个肽必须摆动进入它的深层环状空腔。“我们发现我们的传感器可以通过与肽的弱连接、中间连接和强连接来识别WDR5。”她指出，“这表明潜在的药物必须能够阻止肽与WDR5结合的所有三种不同方式。”

Movileanu实验室开发的生物传感器有朝一日可能会带来更准确和更有效的扫描体内化学物质的方法，从而为医生提供一个比今天更早发现疾病的机会。

“在许多疾病中，当癌症等疾病开始发展时，我们体内的标志物和化学物质会发生显著的变化。”Movileanu强调说，“通过将这些传感器集成到可扩展的纳米流体设备中，我们就离能够从血液样本中扫描许多标记物不远了。”