作者:池涵 丁佳 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2019/3/18 12:15:58
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癌症“魅影”:寻找无序中的有序

 

无序蛋白指得是一部分没有稳定三维结构的蛋白质。因为没有绝对稳定的状态,经常参与调控细胞各成分的相互作用,如DNA的转录等。然而,它们的错误表达也可能造成细胞的变化,引起癌症等严重的疾病。

日前,美国麻省理工学院化学系博士后林星程等人在《生物分子》期刊上发表了一篇论文,研究人员运用分子动力学模型研究PAGE4无序蛋白,证实了无序蛋白中也存在有序特征,并发现了这些有序特征影响无序蛋白功能表达的机制。

游走于癌细胞之间的“幽灵”

前列腺相关基因4型蛋白(PAGE4),是一种典型的无序蛋白,它的错误表达被发现与前列腺癌的产生相关。

由于前列腺癌细胞的生长通常需要雄激素,因此在前列腺癌化疗过程中,通常采用雄激素剥夺疗法来抑制癌细胞生长。但临床实验发现,这种疗法并不总是有效的,癌细胞总是表现出抗药性。科学家想知道,这会不会与PAGE4有关?

要解决这个问题,有两种主流的研究方法,第一种是结构生物学,聚焦蛋白质等生物大分子的微观层面,研究飞秒-秒级的生物物理、生物化学机理;另一种叫做系统生物学,从宏观层面研究以天为单位的细胞、蛋白质之间的相互作用过程。

然而,两种方法很难结合。现有的结构生物学模拟受模型和算力制约,无法做到系统生物学所在的宏观尺度。如果这个问题不解决,结构生物学研究出的很多微观细节就无法与系统生物学实验做出的宏观结果联系起来,奋战在癌症治疗领域的两组科学家只能各自为战。

此前,系统生物学家已经发现,PAGE4虽然是无序蛋白,但是也有一些细微的有序结构。文章作者之一、美国马里兰大学化学与生物化学系教授John Orban发现,PAGE4主要有三种二级结构,即不规则卷曲、转角和螺旋结构。

“我们发现,虽然没有独特的三维结构,但是这些无序蛋白中的‘构型噪音’也能够影响细胞行为,特别是前列腺癌细胞种群对于特定疗法的反应。”文章另一作者、印度科学理工学院生物系统科学与工程中心助理教授Mohit Kumar Jolly则告诉《中国科学报》记者,“虽然癌症被认为是基因疾病,但我们的系统生物学模型说明即便没有基因原因,这种细胞中信号分子的变化也会导致对特定疗法的抗药性。”

但是,PAGE4的二级结构有什么作用?它们又是怎样变化并最终影响肿瘤蛋白抗药性功能的表达的呢?

蛋白质数值模拟这盘“大棋”

林星程对《中国科学报》记者说,要解决这个问题,需要在结构生物学层面,运用分子动力学数值建模来研究PAGE4蛋白不同位置的关联运动是如何长距离相互作用的。他所采用的模型叫做联想记忆水调解结构能量模型(AWSEM)。

此前用来调节模型参数的力场数据都来自有序蛋白质,当应用到无序蛋白质时,由于无序蛋白质构象太多,一般的全原子模拟方法无法在有效时间内得到有用的信息。

这就好比一个象棋大师在下盲棋时,如果棋面上是一些经典的棋局定式,他就能很容易的记住棋形变化,而如果棋面完全是人为随机乱摆出来的,他就很难记住棋形了。

为了解决这个问题,林星程需要应用粗粒化算法,即将模型的精细化程度调粗,简少计算量。与此前的模型相比,林星程所使用的AWSEM模型运用了深度学习中神经网络的思想进行优化。

凭借对生物物理的理解调整模型参数,林星程可以很好地解决了蛋白质模拟中的“坍缩”问题,也就是模拟出的蛋白质结果挤成一堆,与实验得出的蛋白质尺寸差距很大的问题。

并且,该模型不仅能成功复制已有的实验结果,还正确地预测了磷酸化的PAGE4的实验结果。基于这个正确的结果,林星程等人将两个层面的生物学研究联系在一起,探索出PAGE4蛋白有序态变化背后的机制。

操纵肿瘤蛋白的“魅影”

原来,有两种酶(HIPK1和CLK2)能够通过调控蛋白质磷酸化程度,来改变PAGE4中心区转角型二级结构的数量,使其展现不同的形态和有序态,从而影响该蛋白功能的表达。

研究人员发现,在没有酶介入或有HIPK1酶参与的情况下, 这种蛋白都是有序的,它会形成一个环,像一条盘起来的蛇,死死地抓住“猎物”,以便能更容易地找到转录结合因子,减少雄激素受体活性,降低癌细胞的抗药性。

而如果有CLK2酶参与,则上述的环状结构会减少,无序程度会增加,此时的PAGE4就像一条摊开的蛇,难有机会发挥转录结合因子压制癌细胞抗药性的作用了。

林星程认为,这项发现有望对癌症化疗方法的改进提供新的思路。

对前列腺化疗的改进

“在两种酶调控不同PAGE4类型的过程中,有一种负反馈机制。”林星程说。HIPK1酶增多时,有序蛋白增多,雄激素受体会减少,此时本来受到雄激素受体压制的CLK2酶也增多起来,使更多的蛋白变为无序。通常,这种“风水轮流转”的周期在一周左右。

研究人员发现,在使用了雄激素剥夺疗法后,PAGE4蛋白类型向具有抗药性的无序类型高度集中。虽然此时的癌细胞不能再依靠同样的治疗杀死,但均一化的癌细胞更加脆弱,容易结合其它疗法来进一步消灭。

《生物分子》期刊副主编Prakash Kulkarni对《中国科学报》记者说:“在这项工作中,林星程博士和他的同事超越了传统的认知,一些人的水平堪称领先,他们揭示了无序蛋白中的细微结构和有别于折叠蛋白的动态有序,及其是怎样在大尺度运动中干预细胞中不同部分的交互,并导致前列腺癌相关功能的表达的。”

Kulkarni评价道,“此项工作对此前不甚了解、但对人体健康和疾病发挥了关键作用的(无序)蛋白的行为提供了前所未有的洞见,对认识癌症有深远的影响。”

相关论文链接:DOI:10.3390/biom9020077

 
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