高速原子力显微镜研究本质上无序的蛋白质

我们对生物蛋白质的理解并不总是与它们的普遍性或重要性有关。一半的蛋白质，即在细胞过程中发挥不可或缺作用的分子，本质上是无序的，这意味着许多用于探测生物分子的标准技术对它们不起作用。现在，金泽大学的研究人员表明，他们自主研发的高速原子力显微镜技术不仅可以提供有关这些蛋白质结构的信息，还可以提供有关其动力学的信息。

了解蛋白质如何组合在一起为了解其功能提供了宝贵的线索。1930 年代和 1950 年代蛋白质晶体学的发展首次将几种蛋白质结构带入了视野，但逐渐变得明显的是，很大一部分蛋白质缺乏单一的结构，使 X 射线晶体学难以处理。因为它们对于电子显微镜来说太薄了，许多这些固有无序蛋白质 (IDP) 的唯一可行替代品是核磁共振成像和小角度 X 射线散射。从这些技术收集的数据在整体上取平均值，因此没有明确指示单个蛋白质构象或它们出现的频率。另一方面，原子力显微镜能够高速进行纳米级分辨率的生物成像，因此它可以捕获动力学以及蛋白质结构。

在这项最新工作中，金泽大学的研究人员与、法国和的合作者一起将该技术应用于几个 IDP 的研究，并确定了定义蛋白质区域形状、大小和链长的参数，以及与蛋白质大小相关的幂律蛋白质长度，以及云母表面对蛋白质尺寸影响的定量描述。由于该技术的高速能力，捕获的蛋白质构象的动态揭示了出现和消失的小球，以及在长达 160 个氨基酸的片段中完全非结构化和松散折叠构象之间的转换。

对麻疹病毒核蛋白的研究尤其有助于确定负责分子识别的区域的有序-无序转变的形状和尺寸，以及特征，这使病毒能够识别宿主因素，以便它们可以繁殖。他们还可以确定核磁共振无法获得的病毒磷蛋白的更大规模结构(这只能表明氨基酸之间的距离小于 2 nm)。研究人员认为，观察到的某些紧凑形状的形成可以解释对蛋白质水解的抵抗力——蛋白质分解。

在他们的工作报告中，研究人员强调了这一点以及它本身的强大工具，“当 HS-AFM 揭示的所有分子特征与 NMR 给出的折叠局部结构相结合时，结合的信息允许定量描述与单独描绘的图片相比，以更真实的方式展示了 IDP 的结构和动态特征，如 PNT [麻疹病毒磷蛋白] 所证明的那样。”

高速原子力显微镜

原子力显微镜是在 1980 年代开发的，并将通过扫描隧道显微镜(获得 1986 年诺贝尔物理学奖)实现的原子级分辨率带到非导电样品。它的工作原理是使用末端带有纳米级尖端的微小悬臂，感觉表面很像黑胶唱片针或轻敲它。无论是通过调整尖端高度还是敲击的共振频率，尖端和表面之间的相互作用都提供了可用于生成图像的信号。

虽然 AFM 图像为生物研究带来了巨大的好处，但当安藤俊雄和他在金泽大学的团队报告了一种高速运行的原子力显微镜时，这些研究能够再次提高档次。原子尺度分辨率的图像变成了电影，不仅可以带来结构，还可以了解动态。先前对有序蛋白质的研究，以及 IDP 促进染色质转录 (FACT) 蛋白，已确定该技术可用于对这些生物分子进行成像，而不会因尖端和样品之间的接触而导致数据失真。

内在无序的蛋白质

X射线晶体学的出现首次让研究人员清楚地了解了大量的生物分子结构。但是，自从 1930 年代和 1950 年代首次使用蛋白质晶体学技术以来，随着使用蛋白质晶体学分析了数十万个生物分子结构，越来越多的证据开始表明并非所有蛋白质都具有单一的结构。这些观察结果与由固定结构决定的蛋白质功能的普遍范式背道而驰。

在过去的 10 到 20 年中，这些本质上无序的蛋白质的普遍存在及其在从信号传导到转录调控和随后翻译的细胞功能中的重要性已得到广泛认可。在目前的工作中，研究人员研究的 IDP 包括聚谷氨酰胺束结合蛋白-1(PQBP-1，参与不同的过程，如前体 mRNA 剪接、转录调控、先天免疫和神经元发育)、自噬蛋白(参与去除功能失调的细胞成分)包含固有无序区域(IDR)和麻疹病毒核蛋白。