단백질은 가장 훌륭한 분자 종이 접기입니다. 고전적으로, 단백질은 단일 안정적인 구성으로 접힌 아미노산 사슬로 상상됩니다. 그러나 지난 몇 년 동안 생물 생리 학자들은 그 규칙에 대한 예외가 얼마나 많고 특별한지를 배웠습니다.
먼저 하나 이상의 안정적인 형태를 갖고 두 가지 다른 기능을 수행 할 수있는 특수 부류의 폴드 스위치 단백질을 발견했습니다. 이러한 단백질은 첫 번째 모양과 기능에 대한 자연 선택이 두 번째에 쉽게 해칠 수 있고 그 반대도 마찬가지입니다. 그러나 현재 약 100 명이 알려진 폴드 스위치 단백질은 모든 왕국에서 진화하고 30 개 이상의 생물학적 기능을 수행했습니다.
"우리는 하나의 구조를 가진 단백질에 대해 생각하는 데 익숙해 졌기 때문에 구조가 해결되면 우리는 우리가 끝났다고 생각합니다. 즉, 문제가 해결되었다고 생각합니다." 그러나 냉동 전자 현미경 및 고체 상태 핵 자기 공명과 같은 기술이 이용 가능 해짐에 따라“단백질의 대체 형태가 더 많이 증가하고있다”고 말했다.
이러한 기술의 도움으로 연구원들은 단지 폴드 스위치의 능력을 넘어서는 단백질의 몇 가지 예를 발견했습니다. 이 변성 단백질은 하나의 접힌 모양에서 다른 내부 유기체로 빠르고 가역적으로 변화합니다. 사실, 그렇게하는 그들의 능력은 그들의 성공의 열쇠 인 것 같습니다.
위스콘신 의과 대학의 연구원들은 이제 XCL1이라는 변성 인간 단백질의 진화 역사를 재구성했습니다. 한 형태로, 그것은 케모카인이라고 불리는 신호 전달 분자 역할을하며, 백혈구의 수용체에 결합하여 감염과 싸우기 위해 이들을 모집한다. 그러나 세균 침입자를 항생제로 죽이는 두 번째 모양으로 쉽게 전환 할 수 있습니다.
고대 주름의 지문
위스콘신 연구원들은 XCL1을 더 자세히 살펴보면 변성 단백질이 어떻게 진화하는지 배우기로 결정했습니다. 인간의 46 개의 케모카인 단백질 중 XCL1은 변성 전환을 나타내는 유일한 단백질입니다. 다른 하나는 단백질 분자를 안정적인 접힘으로 고정시키는 강한 이황화 결합에 의해 안정화된다. 그러나 XCL1의 진화 역사에서, 이황화 결합 중 하나가 사라져 두 번째 형태가 나타날 수있게되었습니다.
그 일이 어떻게 일어 났는지 재구성하기 위해 연구원들은 생물 정보학을 사용하여 오늘날 동물의 약 550 개의 케모카인에 대한 조상 서열을 유추했습니다. 대학원생 인 Acacia Dishman은 유추 된 DNA 서열을 박테리아에 삽입하여 조상 단백질을 부활시켰다. 그런 다음 그녀는 그것들을 정화하고 생물 물리학 적 특성을 측정하고 단백질 주름의 독특한 "지문"에 대한 핵 자기 공명으로 구조를 점검했습니다.
.Dishman은 가장 오래된 조상이 단일 안정된 접힘을 가졌으며, 이는 모든 케모카인에 공통적 인 접힘을 가졌다는 것을 발견했습니다. 재구성 된 진화 시퀀스에서 약간 후반의 단백질에서, 그녀는 새로운 접힘이 드물지만, 조상 접힘을위한 두 개의 지문을 검출했지만, 새로운 접힘을 위해서는 하나의 지문을 발견했다. 놀랍게도, 진화론 적 서열에서 조금 후에, 단백질은 반대를 보여 주었다. 그들은 주로 새로운 형태로 접혀 있었고 조상 형태는 거의 없었다. 마지막으로, 현대 XCL1에서, 두 가지 형태는 거의 동일했다.
조상들이 두 배를 불리지 만 현대 XCL1은 동일한 비율로 두 배를 보여 주었다는 사실은 스위칭 속성이“사고 나 유물이 아님을 강력하게 시사합니다. 유기체의 체력을 향상시킨 것으로 보였고,이 연구의 생물 물리학 자이자 수석 저자 인 Brian Volkman은 말했다. 1 월 1 일.
불안정의 장점
그러나 왜 변태증이 두 개의 특수 단백질을 갖는 것보다 낫습니까? 과학자들은 몇 가지 연결된 가능성에 대해 논문에서 이론화합니다. 단일 단백질이 이중 의무를 수행 할 수 있다면, 세포가 전사, 번역 및 유지되는 것을 막는 것을 아끼지 않습니다. 그러나 단백질의 변형 능력이 신체가 박테리아에 대한 방어를 통제하는보다 역동적 인 방법을 제공 할 수 있다는 것입니다.
XCL1은 동일한 확률로 두 개의 접힌 양식을 채택 할 수 있으므로 초당 한 번보다 빠르게 전환 할 수 있습니다. 그러나 온도 또는 소금 농도의 변화 또는 결합 파트너의 도입은 그 평형을 변화시킬 수 있습니다. 예를 들어, 미생물 병원체 주변에서, 더 많은 XCL1 단백질이 미생물막과 상호 작용하는 형태에 붙어 균형을 접힘으로 이동시킨다. 신체의 다른 곳에서, 단백질은 다른 접힘을 더 자주 채택하고 백혈구의 수용체에 결합하여 그들을 동원 할 수 있습니다.
.Dishman은“이것은 단백질이 올바른 장소와 적절한시기에서 올바른 기능을 극대화 할 수 있기 때문에 유리합니다. "접힌 구조의 변화에 기초한 기능의 공간적 및 시간적 조절은 변성 단백질이 진화 할 수있는 이유 일 수있다."
.또한 변성 폴드 스위치는 단백질이 분해되기를 기다리지 않고 단백질의 구조를 다른 형태로 뒤집는 것만으로도 원치 않는 기능을 제거 할 수있게합니다. Volkman은“이것은 단순성의 우아함을 가지고있다
이러한 명백한 장점에 대한 논쟁은 XCL1이 왜 변성 접힘을 진화시키는 유일한 케모카인인지에 대한 의문을 제기 할 정도로 설득력있는 것처럼 보일 수 있습니다. 연구원들은 이것이 여전히 미스터리임을 인정합니다.
Dishman은 생물 의학 및 기타 응용을 가질 수있는 변성 단백질을 설계 할 수있는 가능성에 특히 흥분됩니다. 그녀는 워싱턴 대학교의 David Baker와 함께 본질적으로 보이지 않는 변성 단백질을 설계했습니다. 두 가지 다른 상태를 채택 할 수있는 단백질은 본질적으로 기본적으로 굵은 스위치를 만듭니다.이 스위치는 메모리 장치, 모터 또는 센서와 같은 모든 종류의 것들에 유용 할 수 있다고 Baker는 말합니다.
단백질 구조 예측 및 설계는 지난 10 년 동안 도약과 경계에 의해 진행되었지만, 이러한 노력의 대부분은 단일 열역학적으로 안정적인 암석 구조로 접힌 아미노산 서열을 설계하는 것을 목표로했다. 대조적으로,“단백질을 설계하고 있으며 변성이되기를 원한다면 비교적 불안정하게 만들어서 비교적 빠른 시간 프레임을 켜고 잠재적으로 전환 할 수 있도록해야한다고 Volkman은 설명했습니다.
.베이커는 단일 저에너지 상태를 채택하는 아미노산 서열을 설계하기에 충분히 어렵다고 덧붙였다. 대략 같은 확률로 두 개의 다른 저에너지 상태를 채택 할 수있는 계산은 훨씬 더 어렵습니다. 그러나 이러한 쌍 안정적인 스위치가 얼마나 유용한지를 감안할 때“여러 저에너지 상태를 가진 단백질을 설계하는 것이 실제로 핵심이 될 것”이라고 그는 말했다. "이것은 단백질 과학에 매우 중요한 프론티어라고 생각합니다."
