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摘要：格拉茨工業(yè)大學(xué)的研究人員對(duì)細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的一種蛋白質(zhì)的功能有了新的認(rèn)識(shí)，這種蛋白質(zhì)的酶活性被藍(lán)光激活。
光以許多不同的方式影響生物體:例如，植物的生長(zhǎng)方向朝向太陽(yáng)，而人類(lèi)的晝夜節(jié)律是由日光控制的。這些過(guò)程總是涉及光感受器，光感受器是一種能感知不同顏色和光強(qiáng)度的蛋白質(zhì)。
酶活性增加了一萬(wàn)倍
現(xiàn)在，格拉茨科技大學(xué)(TU Graz)的研究人員已經(jīng)破譯了一種高效光感受器的功能。他們的研究結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。研究小組研究了一種在許多細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的二胍酸環(huán)化酶蛋白。它的酶功能調(diào)節(jié)了一種控制細(xì)菌生存方式的中心信使物質(zhì)的產(chǎn)生。在黑暗中，這種蛋白質(zhì)幾乎完(空)全不活躍，但一旦暴露在日光的藍(lán)色成分中，它的酶活性就會(huì)迅速增加。格拉茨工業(yè)大學(xué)生物化學(xué)研究所光生化工作組負(fù)責(zé)人安德里亞斯·溫克勒說(shuō):“這種蛋白質(zhì)在光照下的酶活性比在黑暗中高出約1萬(wàn)倍?！痹诖蠖鄶?shù)光感受器中，活性增加了5到50倍，導(dǎo)致蛋白質(zhì)活性的變化更加緩慢。Winkler解釋說(shuō):“相比之下，我們所描述的蛋白質(zhì)反應(yīng)非常強(qiáng)烈，所以它實(shí)際上就像一個(gè)開(kāi)關(guān)?！毕襁@樣的高效蛋白質(zhì)開(kāi)關(guān)可以在未來(lái)用于增強(qiáng)和優(yōu)化光遺傳學(xué)工具。
圖1 研究發(fā)現(xiàn)二胍酸環(huán)化酶蛋白調(diào)節(jié)了一種控制細(xì)菌生存方式的中心信使物質(zhì)的產(chǎn)生
蛋白質(zhì)在藍(lán)光下伸展
研究人員現(xiàn)在已經(jīng)解開(kāi)了蛋白質(zhì)開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)和功能。這種蛋白質(zhì)由兩個(gè)功能部分組成:一個(gè)負(fù)責(zé)感知藍(lán)光，另一個(gè)負(fù)責(zé)實(shí)際的酶活性，作為化學(xué)反應(yīng)的催化劑。如果它暴露在藍(lán)光下，蛋白質(zhì)會(huì)改變其結(jié)構(gòu)。當(dāng)它不活躍時(shí)，整個(gè)蛋白質(zhì)處于致密狀態(tài)，但當(dāng)它接觸到光時(shí)，蛋白質(zhì)拉伸，連接先前分離的酶部分。然后，這種蛋白質(zhì)產(chǎn)生特定的信使分子，向細(xì)菌發(fā)出環(huán)境條件正在發(fā)生變化的信號(hào)。如果可能的話(huà)，細(xì)菌會(huì)適應(yīng)這些新的環(huán)境。Andreas Winkler解釋說(shuō):“這方面的一個(gè)例子是聚集體的形成，被稱(chēng)為生物膜，它使細(xì)菌更能抵抗環(huán)境的影響。”
潛在的醫(yī)療應(yīng)用
“我真的很興奮，我們的研究為這種迷人的蛋白質(zhì)的機(jī)制提供了有價(jià)值的見(jiàn)解，”該研究的第一作者、格拉茨工業(yè)大學(xué)生物化學(xué)研究所的博士生Urula Vide評(píng)論道。“了解這種光激活酶開(kāi)關(guān)背后的機(jī)制，為在一系列不同學(xué)科中的可能應(yīng)用打開(kāi)了大門(mén)?！逼渲兄皇轻t(yī)學(xué)上使用的光基因治療方法。與光調(diào)節(jié)蛋白開(kāi)關(guān)相關(guān)的藥物可以在精確的時(shí)間內(nèi)僅在身體的一個(gè)非常有限的區(qū)域起作用，這將減少潛在的副作用。光誘導(dǎo)的蛋白質(zhì)開(kāi)關(guān)也將為細(xì)胞生物學(xué)的研究帶來(lái)好處，因?yàn)樗梢栽诜肿铀缴嫌嗅槍?duì)性地觸發(fā)特定的變化，然后可以更有效地分析這些變化。“但是我們離這種特殊開(kāi)關(guān)的實(shí)際應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走，”Winkler指出。然而，他相信他的團(tuán)隊(duì)的研究已經(jīng)產(chǎn)生了一些重要的、基本的見(jiàn)解。
圖2 MsLadC二聚體在其暗適應(yīng)狀態(tài)下的晶體結(jié)構(gòu)
三維模型
在他們的實(shí)驗(yàn)中，研究人員沒(méi)有從原始細(xì)菌中分離出蛋白質(zhì)，而是在基因工程的幫助下在實(shí)驗(yàn)室中制造出蛋白質(zhì)。他們用x射線(xiàn)衍射分析了分子結(jié)構(gòu)，這是三維模型的基礎(chǔ)。結(jié)合補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)，該模型使研究人員能夠推斷出暴露在藍(lán)光下蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化，從而轉(zhuǎn)化為關(guān)于生物開(kāi)關(guān)分子功能的具體結(jié)論。
參考資料：
[1] Illuminating the inner workings of a natural protein switch: Blue-light sensing in LOV-activated diguanylate cyclases
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