《Nature | 基于计算生成的IDRs蛋白质构象研究其与细胞功能和定位的关联性,关于序列-结构-功能的探究》

  • 来源专题:战略生物资源
  • 编译者: 李康音
  • 发布时间:2024-02-03
  • 2024年1月31日,哥本哈根大学的研究人员在Nature期刊上发表了一篇题为Conformational ensembles of the human intrinsically disordered proteome的研究文章。

    蛋白质中存在一种被科学家忽视了的重要部分,叫做内在无序区域(IDRs)。IDRs是指那些没有固定的三维结构,而是可以变形的蛋白质片段。这些IDRs占据了蛋白质的一半左右,但是由于它们不能和其他生物分子很好地配合,所以一直被认为没有什么重要的功能。近年来研究表明IDRs在细胞生物学起到了重大作用,其中可能存在疾病治疗靶点,这篇文章主要研究了这一类蛋白构象集合特点与细胞功能、生物学过程的关联。

    该文章详细探讨了人体蛋白质组中的的内在无序区域(IDRs)。研究通过CALVADOS分子模型生成的IDRs构象集合,分析其构象属性、细胞功能和定位,探讨了IDRs的序列压缩关系和在正交同源体中的进化保守性。研究结果为理解IDRs在蛋白质功能中的角色以及其与人类疾病关系提供了全面视角。论文最后讨论了IDRs中致病变异的发生率,阐述了压缩的进化保守性及其与生物功能和疾病的关联。

  • 原文来源:https://www.nature.com/articles/s41586-023-07004-5
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  • 《新技术实现蛋白质在细胞内的高通量、高分辨结构解析》

    • 来源专题:生物育种
    • 编译者:姜丽华
    • 发布时间:2023-04-09
    • 冷冻电镜单颗粒技术实现了解析溶液中蛋白质的结构达到近原子分辨率,甚至在apoferritin上达到原子分辨率。然而,在工作状态的细胞环境中的蛋白质往往具有更多的原生构象,并可能形成比纯化蛋白质更完整的复合物,因此实现高分辨的原位蛋白质结构解析是目前冷冻电镜的重要目标之一。   冷冻电子断层(cryo-ET)结合亚单位平均是目前实现蛋白质原位结构解析的通用方案,但断层要求对每一个区域收集倾转序列,这降低了原位的数据采集通量,且倾转序列之间存在对中误差和冰层畸变等问题,导致分辨率难以突破。   为了实现原位蛋白质的高通量、高分辨率结构解析,中国科学院生物物理研究所章新政组致力于开发不基于电子断层的新型原位结构解析算法。近日,《自然-通讯》(Nature Communications)在线发表了章新政组撰写的题为Determining protein structures in cellular lamella at pseudo-atomic resolution by GisSPA的研究论文。该研究基于课题组2021年发表的isSPA算法进行GPU加速优化,将计算效率提高了约400-500倍。   该工作将FIB减薄的细胞样品作为测试数据,使用GisSPA分别解析了细胞中的分子量约为14.7 MD的藻胆体和分子量约为1.5MD的光系统II复合物的高分辨结构,其分辨率分别为3.4埃和3.9埃(图1)。此外,该研究还探索了GisSPA算法针对不同分子量大小的蛋白质和切片厚度的适用范围。结论认为在切片厚度为100-150纳米时,可解析的最小复合物的分子量约为1.1 MD(图2)。该方法较断层重构数据采集效率提升了30~40倍,解析分辨率也获得显著提升。   上述工作由生物物理所、北京理工大学、中国科学院计算技术研究所的科研人员合作完成。研究工作国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项(B类)、中国科学院基础前沿科学重点研究计划等的支持。   此外,上述研究中的FIB样品来自于清华大学隋森芳团队。隋森芳团队应用isSPA算法与电子断层的结合探究了红藻的PBS-PSII-PSI-LHC巨型复合物。isSPA算法将复合物的分辨率提高至3.3埃。该成果(In situ structure of the red algal phycobilisome-PSII-PSI-LHC megacomplex)同日在线发表在《自然》(Nature)上。相关工作由清华大学和生物物理所的科研人员合作完成。   章新政课题组致力于新型原位结构解析技术的开发。基于此,课题组开发了蛋白质识别算法,并对探测函数的最优权重进行推导。新函数提升了叠合密度中探测目标蛋白的效率。结合排序函数减少蛋白质识别算法引入的假阳性数据,有效减轻模型偏差的影响,实现高分辨重构。
  • 《Nature | 序列特异性 DNA 结合蛋白的计算设计》

    • 来源专题:战略生物资源
    • 编译者:朱晓琳
    • 发布时间:2025-09-14
    •     序列特异性 DNA 结合蛋白(DBPs)在生物学和生物技术领域发挥关键作用,人们对设计具有新特异性或改变后特异性的 DBPs 用于基因组编辑等应用抱有浓厚兴趣。尽管通过筛选方法对天然 DBPs 进行重编程已取得一定成功,但设计能识别任意目标位点的新型 DBPs 仍面临重大挑战。     本文介绍了一种计算设计方法,可生成能通过与 DNA 大沟中碱基相互作用来识别短特异性目标序列的小型 DBPs。利用该方法,研究人员针对 5 个不同的 DNA 靶点设计出结合剂,其亲和力达到中纳摩尔至高三纳摩尔水平。单个结合模块在多达 6 个碱基对位置上的特异性与计算模型高度匹配,且通过 RFdiffusion 将结合剂沿 DNA 双螺旋刚性定位,可实现更高阶的特异性。     经测定,设计的 DBP - 靶点复合物的晶体结构与设计模型高度一致,且这些设计的 DBPs 在大肠杆菌和哺乳动物细胞中均能发挥功能,可抑制和激活邻近基因的转录。此外,研究还通过酵母展示细胞分选进行 DBP 的生成与筛选,通过 X 射线共晶学和 DBP 足迹分析验证设计的有效性,对 DBP 特异性进行评估与优化,并证实设计的 DBPs 能在活细胞中调节转录。     该方法为生成小型且易于递送的序列特异性 DBPs 提供了途径,可用于基因调控和编辑,在合成生物学及其他需要序列特异性 DNA 识别的领域具有广泛应用前景。 序列特异性 DNA 结合蛋白(DBPs)在生物学和生物技术领域发挥关键作用,人们对设计具有新特异性或改变后特异性的 DBPs 用于基因组编辑等应用抱有浓厚兴趣。尽管通过筛选方法对天然 DBPs 进行重编程已取得一定成功,但设计能识别任意目标位点的新型 DBPs 仍面临重大挑战。 本文介绍了一种计算设计方法,可生成能通过与 DNA 大沟中碱基相互作用来识别短特异性目标序列的小型 DBPs。利用该方法,研究人员针对 5 个不同的 DNA 靶点设计出结合剂,其亲和力达到中纳摩尔至高三纳摩尔水平。单个结合模块在多达 6 个碱基对位置上的特异性与计算模型高度匹配,且通过 RFdiffusion 将结合剂沿 DNA 双螺旋刚性定位,可实现更高阶的特异性。 经测定,设计的 DBP - 靶点复合物的晶体结构与设计模型高度一致,且这些设计的 DBPs 在大肠杆菌和哺乳动物细胞中均能发挥功能,可抑制和激活邻近基因的转录。此外,研究还通过酵母展示细胞分选进行 DBP 的生成与筛选,通过 X 射线共晶学和 DBP 足迹分析验证设计的有效性,对 DBP 特异性进行评估与优化,并证实设计的 DBPs 能在活细胞中调节转录。 该方法为生成小型且易于递送的序列特异性 DBPs 提供了途径,可用于基因调控和编辑,在合成生物学及其他需要序列特异性 DNA 识别的领域具有广泛应用前景。