蛋白质-蛋白质相互作用

先进的生物过程分析

蛋白质一般是通过相互作用来实现各种细胞功能,很少单独作用。 

研究蛋白质-蛋白质相互作用可为广泛的生物学过程提供重要见解。 

蛋白质相互作用的重要性

蛋白质可促进细胞中的大多数生物过程。包括基因表达、细胞生长、增殖、营养摄取、形态、运动、细胞间通信和细胞凋亡。

蛋白质表达是一种对各种刺激做出反应的动态过程。在一些任务中,特定蛋白质可能并不总是表达或激活。细胞的蛋白质表达也各有不同,这可能会使在适当的生物学背景下研究蛋白质功能变得复杂。然而,通过仔细的调查和分析,这些挑战是可以克服的。

在 20 世纪 90 年代末之前,蛋白质功能分析主要关注单个蛋白质。然而,大多数蛋白质必须与其他蛋白质相互作用才能发挥功能,因此应在蛋白质-蛋白质相互作用的背景下进行蛋白质研究。由于人类基因组的发布和蛋白质组学的发展,了解蛋白质相互作用和识别生物网络以了解其在细胞内的功能变得至关重要。

不同类型的蛋白质相互作用

蛋白质相互作用的主要类型包括:

  • 蛋白质-配体相互作用
  • 蛋白质-DNA 相互作用
  • 蛋白质-蛋白质相互作用 (PPIs)

在蛋白质-蛋白质相互作用中,蛋白质间相互作用,从而在细胞中执行特定功能。

研究蛋白质-蛋白质相互作用的原因

由于几乎所有生物过程都涉及一种或多种 PPIs,因此研究这些相互作用有助于我们了解这些过程中的分子机制相互作用,包括: 

细胞信号传递
许多生物过程,如细胞生长、分化和凋亡,都是由复杂的信号网络调控的,其中包括蛋白质-蛋白质相互作用。通过研究这些相互作用,研究人员可以了解癌症等疾病中的信号传递通路,并开发出可阻断或调节这些通路的靶向疗法。
酶活性
酶通常与其他蛋白质以复合物的形式发挥作用,其中蛋白质-蛋白相互作用对于催化活性至关重要。了解这些相互作用有助于理解酶调控、底物特异性和代谢通路,从而有助于药物发现和代谢工程。
基因调控
转录因子和调控蛋白通常形成复合物来控制基因表达。研究参与基因调控的蛋白质-蛋白质相互作用可以发现参与转录控制的关键因子,并且可以深入了解与基因表达失调相关的疾病(如糖尿病和神经退行性疾病)。
蛋白质运输和定位
蛋白质-蛋白质相互作用可控制细胞内蛋白质运输和细胞内蛋白质定位。通过破译这些相互作用,研究人员可以发现细胞器靶向、囊泡运输和蛋白质分选的机制,这对于细胞稳态和功能至关重要。
结构生物学
蛋白质-蛋白质相互作用有助于具有特定结构和功能的大分子复合物的组装。使用 X射线晶体学和冷冻电镜等技术,可以确定这些复合物的结构。通过这些分析,可从原子层面深入了解其作用机制,并且有助于合理的药物设计。
疾病机制
蛋白质-蛋白质相互作用的失调与许多疾病(包括神经退行性疾病,自身免疫性疾病和传染病)有关。通过研究这些相互作用,研究人员可以确定潜在的治疗靶点,并开发出可阻断有害相互作用或稳定有益相互作用的药物。
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如何测量蛋白质-蛋白质相互作用

蛋白质-蛋白质相互作用可通过几种实验技术进行研究,而每种技术都有其独特优势和局限性。这些研究提供的见解取决于所选的分析方法。 

一些(但不是全部)最广泛使用的 PPI 分析方法包括:

方法 描述 Malvern Panalytical 仪器
核磁共振 (NMR) 光谱 NMR 光谱可提供原子层面的结构信息,揭示蛋白质结合时构象变化的详细信息。 --
串联亲和纯化-质谱法 (TAP-MS) 串联亲和纯化可获得纯化的蛋白质复合物,通过质谱仪 (MS) 分析从而绘制出蛋白质-蛋白质相互作用图谱。 --
光栅耦合干涉技术 (GCI) 通过这种基于表面的实时无标记技术,研究人员可以快速准确地测量动力学速率,测定亲和力,并监测生物流体等粗样中即使是低丰度的相互作用分析物的浓度。

WAVE 分子互作仪,GCI 技术

表面等离子共振 (SPR) SPR 可实时监测传感器芯片表面的蛋白质相互作用,可精确测定结合动力学和亲和力。SPR 是一种无标记技术,使用的样品相对较少,可以精准分析蛋白质相互作用。 --
等温滴定量热法 (ITC) ITC 可测量结合过程中释放或吸收的热量,为了解相互作用机制提供重要的热力学信息。

PEAQ-ITC,MicroCal 技术

关联技术:
差示扫描量热法 (DSC) DSC 可测量蛋白质的热稳定性,可用于稳定性研究、生物相似性评估和批间一致性评估。DSC 通过恒速加热过程中,监测恒分子变性的热量变化来测量热稳定性。

PEAQ-DSC,MicroCal 技术

电泳光散射 (ELS)
动态光散射 (DLS)

ELS 可测量颗粒迁移率和电荷。DLS 可测量从亚纳米到数微米直径的分散系统的粒径。结合使用这些技术可以更全面地了解蛋白质-蛋白质相互作用,有助于开发针对特定分子相互作用的干预措施。

Zetasizer Advance

WAVEsystem

面向工业和学术研究的药物发现和生命科学的下一代生物分析仪器
WAVEsystem

MicroCal ITC 系列

一次分析试验就可测定生物分子的多项结合参数
MicroCal ITC 系列

MicroCal DSC 系列

适用于监管环境的蛋白质稳定性分析标准
MicroCal DSC 系列

使用 Malvern Panalytical 仪器测量的蛋白-蛋白相互作用示例

Malvern Panalytical 仪器已用于数项 PPIs 分析研究。以下为一些示例: 

植物膜受体激酶

通过 WAVE 分子互作仪的光栅耦合干涉技术 (GCI) 探索几种植物受体与其配体之间的结合,以及共受体 (SERK3) 的作用。各个受体与其各自配体的结合亲和力有显著差异,SERK3 胞外结构域与配体相关受体结合的结合动力学是相似的。 

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细胞因子及其模拟物

通过 WAVE 的 GCI 技术分析与细胞表面受体合成的‘受体模拟物’的相互作用,这些受体模拟物通常是药物靶点。 

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电压门控钙通道 (Cav) 相互作用

MicroCal 等温滴定量热法 (ITC) 表明,改变蛋白质的主链可改变电压门控钙通道中的蛋白-蛋白相互作用。 

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蛋白-蛋白相互作用的肽抑制剂 (ITC)

本文回顾了 ITC 等技术用于研究抑制蛋白-蛋白相互作用的受限肽的特性。 

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WAVEsystem

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面向工业和学术研究的药物发现和生命科学的下一代生物分析仪器

PEAQ-ITC

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所有结合参数的高灵敏度测量

MicroCal PEAQ-DSC

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适用于法规监管环境下的生物分子稳定性分析

Zetasizer Advance 系列

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广泛适用的光散射技术

技术类型
Grating-coupled interferometry (GCI)
等温滴定量热法 (ITC)
差示扫描量热法 (DSC)
电泳光散射法
动态光散射