蛋白X射線結(jié)構(gòu)分析方法是一種重要的結(jié)構(gòu)生物學(xué)分析方法，傳統(tǒng)技術(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為低溫下的X射線延伸技術(shù)獲得的蛋白結(jié)晶結(jié)構(gòu)分析數(shù)據(jù)更加可靠，近日加州大學(xué)伯克利分校SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室等處的研究人員在比對(duì)了多種不同蛋白的不同溫度分析數(shù)據(jù)之后，提出常溫中獲得的X射線衍射數(shù)據(jù)能更好的分析蛋白的催化機(jī)制和功能。這一研究成果公布在《美國國家科學(xué)院院刊》(PNAS)雜志上。
現(xiàn)代蛋白X射線衍射分析所獲得的數(shù)據(jù)幾乎完全基于低溫X射線結(jié)晶方法獲得的數(shù)據(jù)——通常溫度為100K。這主要是因?yàn)橐话阏J(rèn)為低溫對(duì)于整個(gè)蛋白骨架折疊的干擾少，所以低溫造成結(jié)構(gòu)分析結(jié)果功能上的偏差少。蛋白X射線結(jié)構(gòu)分析方法一般步驟為提純蛋白質(zhì)，溶解于合適溶劑中，然后使溶液過飽和，后晶核形成，獲得蛋白結(jié)晶，在這其中，溫度變化很重要。
在這篇文章中，研究人員提出了一個(gè)相反的觀點(diǎn)：他們通過比對(duì)30種不同蛋白，在低溫和常溫溶液中結(jié)晶結(jié)構(gòu)的X射線衍射數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)冷卻這一常見步驟會(huì)減少蛋白結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析數(shù)據(jù)，比如說這個(gè)步驟不能揭示氨基酸側(cè)鏈的構(gòu)型，這說明常溫中獲得的X射線衍射數(shù)據(jù)也許能更好的獲得蛋白的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，和底物相關(guān)數(shù)據(jù)，這對(duì)于了解蛋白的催化機(jī)制和功能具有重要的意義。
而且常溫下獲得的蛋白結(jié)晶結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)還能分析信號(hào)開關(guān)蛋白，H-Ras，以及變構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(allosteric network)，這些低溫條件下都無法獲得。這些數(shù)據(jù)都表明常溫下進(jìn)行X射線結(jié)晶能揭示更多有關(guān)催化，配基鏈接，以及變構(gòu)調(diào)控的蛋白信息。
在分析蛋白結(jié)構(gòu)方面，除了x射線結(jié)晶這一重要方法外，近年來也有研究人員將這一方法與其它方法結(jié)合，提高所獲得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和多樣性。
比如科學(xué)家們就結(jié)合X-射線晶體衍射和低溫電子顯微鏡兩種方法獲得的數(shù)據(jù)，利用柔性裝配分子動(dòng)力學(xué)(moleculardynamicflexiblefitting,MDFF)的方法進(jìn)行分析。由于X-射線晶體衍射只能獲得靜態(tài)的單個(gè)分子的高分辨率圖片，而低溫電子顯微鏡能獲得兩個(gè)或多個(gè)分子動(dòng)態(tài)相互作用的低分辨率的圖片，因此將這兩者結(jié)合起來，就能更好的了解蛋白的活動(dòng)。研究人員利用這種方法就揭示了核糖體裝配蛋白質(zhì)過程。
在國際上，美國首先提出大規(guī)模測定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的計(jì)劃，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入**期的產(chǎn)出階段。其他發(fā)達(dá)國家(歐盟和日本)也相繼啟動(dòng)自己的結(jié)構(gòu)基因組計(jì)劃。而根據(jù)美國**期的試驗(yàn)計(jì)劃，X射線晶體學(xué)仍然是測定結(jié)構(gòu)的主要手段。
原文摘要：
Accessing protein conformational ensembles using room-temperature X-ray crystallography
Modern protein crystal structures are based nearly exclusively on X-ray data collected at cryogenic temperatures (generally 100 K). The cooling process is thought to introduce little bias in the functional interpretation of structural results, because cryogenic temperatures minimally perturb the overall protein backbone fold. In contrast, here we show that flash cooling biases previously hidden structural ensembles in protein crystals. By analyzing available data for 30 different proteins using new computational tools for electron-density sampling, model refinement, and molecular packing analysis, we found that crystal cryocooling remodels the conformational distributions of more than 35% of side chains and eliminates packing defects necessary for functional motions. In the signaling switch protein, H-Ras, an allosteric network consistent with fluctuations detected in solution by NMR was uncovered in the room-temperature, but not the cryogenic, electron-density maps. These results expose a bias in structural databases toward smaller, overpacked, and unrealistically unique models. Monitoring room-temperature conformational ensembles by X-ray crystallography can reveal motions crucial for catalysis, ligand binding, and allosteric regulation.
