增强灵敏度的NMR揭示了蛋白质结构的新细节

过氧化氢酶的反平行β-折叠结构：反平行氢键（虚线）位于相邻链上的NH和CO肽基之间。箭头指示链的方向，电子密度轮廓勾勒出非H原子的轮廓。

科学家们希望使用基于动态核极化的新技术来深入了解蛋白质的结构和功能。

蛋白质可以根据其环境以不同的方式折叠。这些不同的构型改变了蛋白质的功能。折叠错误经常与阿尔茨海默氏病和帕金森氏病等疾病相关。

到目前为止，很难完全表征蛋白质在自然环境中可以呈现的不同结构。但是，麻省理工学院的研究人员显示，使用一种称为灵敏度增强核磁共振（NMR）的新技术，他们可以分析酵母蛋白质与细胞中其他蛋白质相互作用时形成的结构。

使用这种基于动态核极化（DNP）技术的NMR，与当前的NMR技术相比，科学家需要深入了解蛋白质结构和功能，而NMR技术则需要从中分离出大量的纯化蛋白。他们通常的环境。

麻省理工学院生物学教授，怀特海德研究所成员，论文的高级作者之一苏珊·林德奎斯特（Susan Lindquist）说：“动态核极化能够改变我们对自然环境中生物结构的理解。” Cell的10月8日号。

麻省理工学院化学教授，弗朗西斯·波特磁铁实验室主任罗伯特·格里芬（Robert Griffin）也是该论文的高级作者。该论文的主要作者是肯特·弗雷德里克（Kendra Frederick），他是怀特海德大学的前博士后，现在是德克萨斯西南大学的助理教授。

DNP增强的敏感性

传统的NMR利用原子核的磁性来揭示包含这些原子核的分子的结构。通过使用与蛋白质中碳原子的核自旋相互作用的强磁场，NMR可以测量样品中某些惰性原子的化学位移特征，这可以揭示这些原子之间的连接方式。

弗雷德里克说：“例如，您观察化学位移的变化，并告诉您是否存在α螺旋或β折叠，这是蛋白质骨架经常采用的两种不同构象。”

但是，传统NMR并不是很灵敏，因为它仅允许您从样品中的碳13核获得信息，该信息的自然丰度为0.1％。

在过去的20年中，格里芬（Griffin）的实验室一直在开发动态核极化技术，该技术要求将极化状态从不成对的电子转移到质子，然后将碳核转移到陀螺仪产生的微波中。该陀螺仪是与麻省理工学院的理查德·特金（Richard Temkin）合作开发的一种高频微波振荡器物理与等离子体科学与融合中心。此外，蒂姆·斯瓦格（Tim Swager）和他在麻省理工学院化学系的小组开发了用于实验的顺磁极化剂。这使研究人员可以将碳13 NMR光谱中的信号强度提高100到400倍，从而大大提高了灵敏度。

使用传统的固态NMR，需要大约30毫克的纯化蛋白才能在合理的时间内获得信息。但是随着DNP灵敏度的提高，不再需要纯化蛋白质，并且可以按通常在细胞内发现的数量进行分析。

弗雷德里克说：“这带来了我们可以解决的一系列全新问题。”“使用敏感性增强技术可以使您以正确的水平查看蛋白质，这在考虑其生物学特性时非常重要。”

为了确保他们仅获得有关目的蛋白质的数据，研究人员用碳13（一种稳定的碳同位素）标记目标蛋白质，而其余蛋白质则未标记。

美国国家高磁场实验室NMR计划主任，教授在佛罗里达州立大学。

“您不必结晶蛋白质，也不必将它们放入统一的溶液中。您可以在它们的自然环境中研究它们，这非常令人兴奋。”不属于研究团队的克罗斯说。

蛋白质折叠

在Cell论文中，研究人员分析了一种叫做Sup35的酵母蛋白，Lindquist的实验室已经研究了很多年。Sup35是a病毒-一种可以形成缠结团块的蛋白质，称为淀粉样蛋白。它通常的功能是帮助细胞终止蛋白质翻译，但是当它具有淀粉样蛋白结构时，它将停止执行该功能。

这些都是酵母蛋白的正常状态，但是当人类蛋白形成淀粉样蛋白时，它们通常与疾病有关，尤其是神经退行性疾病，例如阿尔茨海默氏症，帕金森氏症和亨廷顿氏症，以及类风湿性关节炎。

在以前的研究中，使用传统的NMR和纯化的Sup35蛋白，科学家发现该蛋白的很大一部分形成淀粉样蛋白，其β-折叠结构类似于手风琴的褶皱。另一个较大的部分在本质上是无序的，并且倾向于翻转而不是形成一致的结构。

但是，在这项新研究中，当研究人员观察被其他细胞蛋白包围的Sup35时，他们发现内在无序的区域实际上确实具有规则的结构，他们认为这是β折叠。不过，弗雷德里克说，需要更强大的分辨率才能确定。

弗雷德里克（Frederick）计划继续使用这种NMR技术研究其他酵母蛋白以及人类淀粉样蛋白。她特别想研究为什么蛋白质可以在不同类型的细胞或具有不同遗传背景的人的细胞中呈现不同的构象。

出版物：Kendra K. Frederick等人，“灵敏度增强的NMR揭示了细胞Milieus对蛋白质结构的改变”，细胞，2015年； doi：10.1016 / j.cell.2015.09.024