看科学家如何三步搞定蛋白质的“千变万化”

作者: 王方军

来源: 中国科学院大连化学物理研究所

发布日期: 2017-08-04 07:30:00

本文介绍了科学家如何通过三步法分析人体内蛋白质的翻译后修饰,包括捕获、分离和确定身份,展示了蛋白质分析技术的发展及其在生物医学研究中的重要性。

大家都知道《西游记》中美猴王孙悟空有七十二般变化,眨眼间便可以变成游鱼、飞鸟、昆虫,让对手无所适从。但是大家可能不知道其实我们人体内的蛋白质也具有像孙悟空一样“千变万化”的本事,在几秒钟内就可以改变自己的“面貌”,提升自己的“战斗力”(活性),行使不同的生物学功能。这就是蛋白质翻译后修饰,让人体内蛋白质“千变万化”的法门,多少年来也一直让从事蛋白质研究的科学家们无所适从。

人体内大约有两万个基因,但是直到2001年基因组学科学家才初步解析了人类的全基因组序列。蛋白质是由基因翻译合成而来,按理说人类的两万个基因可以翻译合成两万种蛋白质,解析人类的全部蛋白质似乎指日可待。可惜事与愿违,人类的两万种基因编码蛋白质个个都是“千变万化”的孙悟空,而且不是“七十二变”,是超过400种不同变化!不同的变化还可能同时进行、动态变化!

也就是说,人体内发生的蛋白质翻译后修饰种类超过400种,可以分别或多种同时发生于某个特定时空的蛋白质上,使得人体内蛋白质种类急剧增加,总数超过一亿种。

那么,如何将一个个“改头换面的孙悟空(修饰蛋白质)”从人体内茫茫蛋白质大海中寻找出来呢?这就需要我们发展蛋白质翻译后修饰规模化分析方法——练就一双可以同时识别成千上万个“真假悟空(修饰蛋白质)”的火眼金睛。

蛋白质翻译后修饰分析要实现“三步走”战略。第一步:挑出来。蛋白质翻译后修饰分析的第一步,也是关键一步,是如何将具有某一类特定变化(翻译后修饰,如磷酸化)的蛋白质从海量的干扰蛋白质中高选择性的“捕获(富集)”出来。这就如同天文学家要从茫茫星辰大海中把适合人类居住的行星找出来一样困难。

捕捉修饰蛋白质的任务主要由分析化学家承担,他们设计出了像导弹一样可以选择性追踪并捕获修饰蛋白质的特殊材料,称为“亲和富集材料”。

第二步:排好队。蛋白质翻译后修饰分析的第二步是将捕获到的修饰蛋白质尽可能有序分离,以便于后续确定每一个的独特身份。这就像老师上课点名时不能问全班同学是否都到了,而是必须按照学号顺序一个个点名。但是修饰蛋白质不像学生一样遵守秩序,它们总是乱糟糟的混在一起,那么如何对它们进行排序呢?这就需要应用分析化学家发明的一项分子排序(分离)技术—液相色谱。

第三步:定身份。

蛋白质翻译后修饰分析的第三步是对色谱柱出口处顺序离开的修饰蛋白质确定身份,包括确定蛋白质的种类、翻译后修饰发生的位点等。在这里需要使用到的分析仪器叫质谱仪,是一种可以对分子进行称重的高端科学仪器。在宏观世界中,人们可以利用地球的万有引力对物体进行称重,但是微观世界的分子和原子所受到的万有引力非常微小,已经无法再用常规工具(如天平)进行称重。

通过“高选择性亲和富集、高分辨色谱分离和高效质谱检测”,蛋白质分析科学家目前已经可以在一天时间中分析检测人体中的数千个修饰蛋白质,这在十几年前还是无法想象的。

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