使蛋白质模式健壮

正确的蛋白质定位对许多基本细胞过程至关重要。LMU物理学家现在已经问过如何赋予蛋白质浓度变化对模式形成机制的稳健性。

在细胞中观察到的许多基本过程取决于蛋白质的正确定位。例如，发生细胞分裂的分裂平面通过特定蛋白质的正确模式来标记，并且应该对所涉及的蛋白质的相对浓度的改变具有鲁棒性。由Erwin Frey教授领导的Ludwig Maximilian大学物理学家与Petra Schwille教授(慕尼黑马克斯普朗克生物化学研究所)合作，现在探索了如何实现这种稳定性。他们的研究结果发表在PNAS期刊上。

用于研究生物模式形成的最流行的模型系统之一是Min系统，其限制细胞分裂的平面(由蛋白质环定义)FtsZ)在杆状细菌大肠杆菌中的中间细胞。该系统包含一小组Min蛋白，其分布在细胞的两极之间动态振荡。它们的净效应是防止分隔环在极点附近的膜上组装，从而将FtsZ限制在电池的中间。Min振荡是由ATPase酶MinD与其活化剂MinE之间复杂的相互作用建立的。MinE激活膜结合的MinD的酶活性，从而触发其结合的核苷酸三磷酸腺苷(ATP)转化为腺苷二磷酸(ADP)，其导致MinD-ADP释放到细胞质中。然后MinD在细胞质中扩散，直到ADP被ATP取代，这使其再次与细胞膜结合。“

Denk和他的共同作者通过将MinE中的构象变化的影响结合到他们的模型中来解决理论和实验之间的这种冲突，这在激活剂与膜结合时发生。最近已经表明，MinE以两种不同的结构形式发生，即开放(“反应性”)和“闭合”(“潜伏”)构象。封闭形式对MinD具有低亲和力，即它与MinD结合的可能性非常小。然而，当它结合时，MinE迅速转化为开放形式，其对MinD-ATP具有高亲和力。一旦处于这种状态，MinE激活MinD的ATP酶功能，并且MinE和MinD-ADP都从膜上释放。研究人员认为，MinE的活性形式短暂地保持在开放的构象中，因此可以“跳跃”最近的膜结合MinD。如果它找不到足够快的一个，它将恢复到封闭的低亲和力构象。“这种在两种构象之间切换的能力对于图案形成的稳健性至关重要，并且即使对于强烈增强的MinE浓度也能形成图案，正如我们的模拟显示的那样，”Frey说。实际上，由Simon Kretschmer(Schwille小组成员)进行的体外实验证实了这些模拟的结果。

这种修改后的模型为调节生物模式形成的机制提供了新的见解，这对其他模式形成系统有影响。Frey及其同事认为，面对组分浓度变化的稳健性可以提供进化优势，因为它赋予细胞更高程度的灵活性。扩展与错误模式形成相容的可容忍余量确保了当相对蛋白质水平改变时仍然可以形成模式。