研究绘制蛋白质相互作用图像了解疾病起因

图片来源：Andrew Garrow

人体相互作用组：每个点都是一个蛋白，每条线都是一种相互作用。

1987年，瑞士研究人员描述了两个姐妹，她们分别出生但拥有类似的异常。她们小脑中缺失了一圈组织，心脏存在孔和裂缝。其中1人在心脏手术后于三岁去世，她的姐姐在四岁时也做过类似的手术，但活了下来。因为两名女孩的父母都没有这些异常，研究人员得出结论，他们的女儿继承了一种非典型基因的两个复本，导致了此前不为人知的一种症状。

与女孩症状相关的核苷酸异常可能存在于一个单独的基因中。然而，若干其他基因随后也与这种被称为“Ritscher—Schinzel综合征”的基因联系在一起。多年来，这些基因的功能以及它们如何与该综合征相关联一直是个谜。

今天，由于对蛋白质—蛋白质相互作用—— 一门被称为“相互作用组”的学科——的系统研究，这些分子基础已经成为关注的焦点。通过绘制蛋白质之间的连接网络，三个研究小组独立发现了一个叫做“指挥官”的复合物，它由突变基因产生的蛋白质组成。“指挥官”是一个重要的细胞成分，可以对蛋白质进行分类和传递，其功能失调就会导致存在严重缺陷的Ritscher–Schinzel综合征。

过去3年里，研究小组已经发表了第一批高质量人类相互作用组学图像。对这些图像的最新综合已经识别出约9.3万个独特的蛋白质—蛋白质相互作用。这并不容易：捕捉到所有的相互作用是一种挑战，因为一组蛋白质搭档会随着不同的组织、细胞甚至是时间而变化。相互作用组是动态的，会随着细胞对环境的响应而断开或形成。完全绘制它可能需要思考系统生物学的新方式方法。尽管如此，这个领域仍在不断产出成果。

数字游戏

有两种构建相互作用组图谱的主要方式。酵母双杂合化验通过把基因表达与细胞内蛋白质的相互作用相结合，测试了蛋白质对之间的相互作用。第二种方法，通过用抗体分离复合物及用质谱仪识别它们的组分绘制了直接和间接的蛋白质接触。

美国得克萨斯州立大学奥斯汀分校系统生物学家Edward Marcotte的实验室在第二种方法基础上采用了一个变化，涉及在生物化学上分离蛋白（例如用蔗糖浓度梯度），从而观察哪些分子倾向于呆在一起。由此产生的图像让Marcotte及其实验室博士后Anna Mallam对“指挥官”复杂的细胞角色进行了推断。那些数据和其他发现表明，“指挥官”会将特定蛋白质从细胞膜转移到被称为高尔基体的空间里，它们在那里被循环利用。

目前，最大的图谱包含了成千上万的蛋白质，与放射状的星暴相比，它们更加类似于缠结的毛球。通过解开这些基因，研究人员可以识别出区分致癌基因与“正常”基因的特征，还可以定义关键的生物学过程，如细胞分裂期间的染色体隔离。

马萨诸塞州波士顿丹娜—法伯癌症研究所计算生物学研究者Katja Luck说，即使有多种方法，相互作用组图谱“仍然是不完整的”。这是一个关于数字的问题。人类基因组包含约两万个蛋白质编码基因。如果一个人假设每种蛋白质只有一种形式（过于简化的情况），那么大约有两亿种可能的相互作用。实际数字可能要小得多，因为许多交互都是间接的，一对一交互范围估计在12万到100万之间。

从生物化学方面看，蛋白质是的多样化令人难以置信，因此它们之间的相互作用不能被每一次的试验所捕获。“我们只是刚刚开始理解不同方法的偏差。”Luck说。

基因剪刀

Luck是遗传学家Marc Vidal实验室的博士后，Vidal设想的最终参考图可能只包含所有潜在的相互作用的子集。细胞和组织的变化以及改变细胞的反应累积成为全部相互作用组的许多可能的版本。对德国马普学会生物化学研究所生化学家Matthias Mann来说，这些变化令人畏惧。但他对用基因编辑技术的力量，如用CRISPR-Cas9解决这些问题表示乐观。

Mann的绘图方法涉及表达了数百种蛋白质的细胞株库，这些蛋白质是通过一种叫作轨道阱的超高分辨率质谱仪进行测试的。诱饵蛋白质被融合到绿色荧光蛋白，产生一种光度轮廓，让研究人员能够通过活细胞成像量化相互作用。在21世纪头十年后期，创建细胞株库“相当费力”，他说。“现在，由于有了CRISPR基因工程技术，我们的新方法获得了双翼。”

自从2010年引入该量化方法以来，Mann的团队已经绘制并量化了超过2.8万个相互作用的强度。一对一比率的蛋白质对的相互作用被认为是“强大”的，可能存在于稳定和丰富的复合体中。Mann解释说，如果没有这样的信息，“很难说这个网络的结构是怎样的”。对他所在团队绘制的图谱进行的分析显示，人类相互作用组由弱关联主导，这可能反映了低丰度调控蛋白对更稳定的蛋白质机器的作用。

细微调整

这一领域的普遍趋势是采用相对温和的样品制备方法，其目的是真实地捕捉细胞中所有蛋白质—蛋白质相互作用。“我们正试图找到破坏性更低的方法。”加州圣荷西市生命科学公司赛默飞世尔科技公司生物化学家Rosa Viner说。该公司专注于改进样品制备、工作流程和质谱技术，目的是帮助研究人员识别细胞中存在的相互作用。“这是最艰巨的挑战：找到不需要任何人工现象的情况下让我们获得最佳照片的方法。”她补充道。

人工现象包括在检测到它们的相互作用之前就分解的蛋白质复合物。为了把这些复合物凝聚在一起，Viner与加州大学欧文分校的研究人员合作，在质谱分析之前在化学上融合复合物，这种方法叫作交叉连接。一种名为QMIX的策略（多路复用、等比重标记的交叉结合的肽的定量化）已被开发出来，它可以用化学标签整合交叉结合的化合物，从而使研究人员能够稳定及跟踪蛋白质复合物。

好的分析会考虑到任何给定方法的盲区。“仍有一些蛋白质种类非常具有挑战性。”波士顿哈佛医学院细胞生物学家Wade Harper说，“当进行高通量分析时，你会被限制在对单个蛋白质有多关注上。”这样的分析往往会对每个反应进行相同的处理，几乎没有定制化的余地。

Harper和哈佛同事Steven Gygi创建了一个实验室小组调整他们的方法。“我们的团队规模相对较小，只有4到6人，每个月可以创建400到500个细胞株。”他说。这些努力迄今为止已经通过单个通道产生了最大量的人类蛋白质复合物数据集。他们的谱图名为“bioplex”，包含约12万个相互作用。

更大图景

但为了更近一步去看这些相互作用，研究人员必须深入研究细胞自身的拥挤情况。加拿大多伦多大学生化学家Anne-Claude Gingras使用一种名为BioID的技术，该技术基于蛋白质的接近性将其连接到另一个蛋白质上。相关的标记蛋白会给附近的蛋白添加化学标记，留下它相互作用的证据——就像一个挥动着彩笔蹒跚学步的孩童经过房间时候留下的痕迹。其结果是一幅围绕着初始蛋白的在物理上近邻的图像。Gingras解释说，识别一个蛋白质的更大社区可能揭示其细胞功能的细节。

近距离成像还可以让研究人员跟踪那些无法被其他试验所发现的蛋白，比如难以分离的膜嵌入蛋白。Gingras说：“我们和其他研究人员研究了核染色质上的蛋白，绘制了中心体的组织，探测出跨越各种膜之间的相互作用。”通过使用BioID，该小组在一个信号通路中发现了在发育过程中可调节器官大小的新组分。

Lippincott-Schwartz说，这种相互作用组是细胞生物学家的“假说生成器”。“一旦你看到一种认识的蛋白质与一大堆你不知道其功能的蛋白质相互作用时，你就开始进行测试。”随着相互作用组图像最终被高质量、丰富的相互作用所充实，研究人员将能开始验证那些假说。（晋楠编译）

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