结构生物学是通过X射线晶体学、冷冻电镜以及核磁共振技等技术是帮助人们观测和理解微观生物世界大分子的一门科学。仍记得去年颜宁教授所说过的:结构生物学家必须眼见为实,Seeing is believing。看到的越多,越有价值。
那么,我们如何发现更多有价值的信息呢?
小编汇总了结构生物学领域的五种方向,精选十篇应用案例,让我们一起看看吧!
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抑制剂
2
结核病药物筛选
3
酶学
4
多巴胺受体与配体
5
突破膜蛋白实验痛点
抑制剂
NO.1(点击标题,查看更多)
作者与清华大学闫创业团队在Nature Communications 共同发表了"Cryo-EM structure of human glucose transporter GLUT4",通过冷冻电镜及晶体结构解析等手段,对GLUT家族蛋白与抑制剂之间的相互作用进行了更深入的探究,从而为发现用于治疗开发的GLUTs抑制剂提供了结构生物学基础。
作者使用脂质立方相(LCP)方法获得了SA47与GLUT3复合物的2.3 Å分辨率的晶体结构,并结合Monolith分子互作检测及基于蛋白质脂质体的转运实验,阐明了SA47的作用方式,为发现用于治疗开发的 GLUTs 表面抑制剂提供了分子基础。
NO.2
清华大学Jiang Xin课题组
葡萄糖转运蛋白抑制剂
清华大学Jiang Xin与颜宁课题组共同通讯在Nature Communications 在线发表了题为"Molecular basis for inhibiting human glucose transporters by exofacial inhibitors" 的研究论文。该研究报告了一种 GLUT3 的变体GLUT3exo,可用于筛选和验证外表面抑制剂。
随后研究团队鉴定了一种外表面 GLUT3 抑制剂 SA47,并通过Monolith分子互作仪检测SA47与GLUT3及其突变体的相互作用,验证了晶体结构中揭示的抑制剂作用位点。该研究为发现用于治疗开发的 GLUTs 表面抑制剂提供了结构生物学基础。Monolith分子互作仪检测不依赖于分子量变化,非常适合于小分子互作的检测。
Monolith检测SA47与GLUT3蛋白WT和突变体的亲和力
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结核病药物筛选
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肺结核病目前仍然是全球人类健康的首要威胁之一。多重耐药和完全耐药的结核分枝杆菌的出现,使它成为极其难以治愈的疾病。因此,发现新的肺结核(TB)药物靶点是科学家们梦寐以求的事。
作者在Cell期刊发表了题为”Crystal Structures of Membrane Transporter MmpL3, an Anti-TB Drug Target“的研究论文,文中解析了结核分枝杆菌(M . smegmatis)MmpL3完整的晶体结构以及和四个潜在药物形成的复合物的晶体结构。MmpL3结构的解析,对促进MmpL3的抑制剂的筛选以及抗结核病药物的研究具有极其重要的意义。
作者通过MST实验验证MmpL3及其突变体对抑制剂的结合强弱。结论是SQ109、AU1235、ICA38及 rimonabant与MmpL3的解离常数分别是是1.65 uM,0.003 uM,0.16 uM和29 uM。这项最新重大研究成果,为抑制剂的筛选以及抗结核病药物的研究开辟了抗生素研发的全新途径。
NO.5(点击标题,查看更多)
延伸因子EF-Tu复合物在结核分枝杆菌蛋白翻译中的结构学研究
作者在Communications Biology在线发表研究成果“Structural insights of the elongation factor EF-Tu complexes in protein translation of Mycobacterium tuberculosis”。通过对Ef-Tu不同复合物的晶体学结构研究,发现结核杆菌来源的EF-Tu与EF-Ts之间具有不同的相互作用方式。
研究人员通过PR蛋白稳定性分析仪搭载的nanoDSF技术对两千多种小分子进行筛选,得到与EF-Tu特异性结合的抑菌分子Osimertinib,并用MST技术验证了Osimertinib与EF-Tu的直接相互作用。同时,抑菌实验证明Osimertinib具备结核分枝杆菌无毒株H37Ra的菌株抑制能力。这项研究为抗结核药物的筛选提供了新的思路。
酶学
NO.6(点击标题,查看更多)
课题组在 Nature 在线发表了题为"USP14-regulated allostery of the human proteasome by time-resolved cryo-EM" 的研究论文。研究人员通过时间分辨冷冻电镜技术,揭示了与去泛素化酶动态调控人源蛋白酶体(proteasome)的机制。去泛素化酶USP14通过可逆结合蛋白酶体26S被激活,剪切底物上的泛素链,被认为是一个潜力巨大的癌症和神经退行性疾病的靶标。通过时间分辨冷冻电镜技术,揭示了与去泛素化酶动态调控人源蛋白酶体的机制。
在阐述USP14被蛋白酶体26S激活的机制的过程中,研究团队利用Monolith分子互作仪检测了超大复合物蛋白酶体26S与USP14的相互作用,并在溶液体系中轻松检测三元互作,验证了底物对于USP14-26S亲和力的影响。
多巴胺受体与配体
NO.7
北京生命科学研究所郑三多课题组
多巴胺受体与配体的识别机制
多巴胺受体广泛分布于中枢神经系统,是各种精神神经疾病的重要治疗靶点。课题组在Nature Communications在线发表了题为"Ligand recognition and biased agonism of the D1 dopamine receptor" 的研究论文。本研究通过冷冻电镜技术揭示了D1多巴胺受体(D1R)-Gs复合物的三个结构。
文中揭示了D1R有两个单独的结合位点可容纳fenoldopam分子,分别位于正位结合袋(OBP)和扩展结合袋(EBP),并通过Monolith分析得到与结构观察一致的结果。对于亲和力不同的双结合位点的靶标分子与配体相互作用,使用Monolith分析软件可分别拟合计算不同结合位点的亲和力。
多巴胺受体D1R具有两个单独的结合位点可容纳fenoldopam分子
突破膜蛋白实验痛点
NO.8
欧洲分子生物学实验室
膜蛋白的高通量筛选去垢剂的流程
在药物开发和结构生物学研究领域中,有许多重要的靶点属于膜蛋白,例如G蛋白偶联受体(GPCRs),离子通道和膜转运蛋白等等,涉及多种生化功能和疾病发生机理,因此一直是研究人员关注的热点。
研究人员使用常用去垢剂DDM把蛋白提取出来,接下来将待筛选的去垢剂预装至96孔板中,把提取出来的蛋白直接进行稀释,孵育一小时后使用PR蛋白稳定性分析仪检测蛋白的Tm与Tagg值。根据检测到的数据,研究人员制作出热图并利用nanoDSF和Backreflection技术开发了一套膜蛋白的高通量筛选去垢剂的流程。
NO.9
爱尔兰科学家
使用nanoDSF技术替代传统DSC方法
使用脂质立方相(LCP)这一种类膜环境中结晶膜蛋白,由于LCP的粘稠性以及相行为,使用基于染料的传统DSF或DSC的方法来评估蛋白的稳定性基本是不可行的。
使用LCP的结晶方法需要筛选不同的脂质和添加物,把每个LCP组成条件放在许多不同的沉淀剂缓冲液中试验结晶。为了找到良好的LCP条件,最大限度地提高膜蛋白的稳定性,以减少不同结晶试验的次数,爱尔兰科学家使用PR蛋白稳定性分析仪进行了脂立方相中的膜蛋白稳定性检测,并建立了一套方法学,用来快速筛选膜蛋白介观结晶的LCP条件。
以膜蛋白LntEco为例,研究人员首先检测了它在9.9 MAG制备的LCP中的热变性曲线和聚集曲线,然后在脂立方相中进行了与结晶相关的多种处理,包括使用不同的脂质主体、附加脂质体和配体,再用nanoDSF技术检测得到其Tm值的变化,以反映出该种处理方法对LntEco的热稳定性的影响。这一系列的测试也证明了无标记的nanoDSF技术能够在非常粘稠的LCP中测量膜蛋白的稳定性,帮助研究人员在膜蛋白结晶试验之前筛选LCP的条件。
NO.10(点击标题,查看更多)
在表征膜蛋白功能时,需要在类膜的环境中保持它的天然结构和功能。Nanodiscs可使膜蛋白处于类似磷脂双分子层的环境中,从而模拟膜蛋白在细胞膜中的构象和生物学功能。研究人员就利用了Nanodisc这一工具研究了甘氨酸受体 (GlyR) 在类膜环境中表现出的配体特异性的构象变化,并通过Monolith分子互作仪检测了GlyR与其激动剂的相互作用。
研究揭示了GlyR由特定激动剂诱导的构象特征,和在自然环境中配体结合决定受体激活的机制。对于低丰度且难以纯化和固定的膜蛋白,Monolith分子互作检测仪可以实现免纯化检测,直接得到膜蛋白在细胞裂解液中与配体的亲和力,在保证膜蛋白处于天然环境中,最大程度维持其构象和功能的同时节省您制备样品的时间。
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