1987年，瑞士研究人員描述了兩個(gè)姐妹，她們分別出生但擁有類(lèi)似的異常。她們小腦中缺失了一圈組織，心臟存在孔和裂縫。其中1人在心臟手術(shù)后于三歲死了，她的姐姐在四歲時(shí)也做過(guò)類(lèi)似的手術(shù)，但活了下來(lái)。因為兩名女孩的父母都沒(méi)有這些異常，研究人員得出結論，他們的女兒繼承了一種非典型基因的兩個(gè)復本，導致了此前不為人知的一種癥狀。

與女孩癥狀相關(guān)的核苷酸異?？赡艽嬖谟谝粋€(gè)單獨的基因中。然而，若干其他基因隨后也與這種被稱(chēng)為“Ritscher—Schinzel綜合征”的基因聯(lián)系在一起。多年來(lái)，這些基因的功能以及它們如何與該綜合征相關(guān)聯(lián)一直是個(gè)謎。

今天，由于對蛋白質(zhì)—蛋白質(zhì)相互作用—— 一門(mén)被稱(chēng)為“相互作用組”的學(xué)科——的系統研究，這些分子基礎已經(jīng)成為關(guān)注的焦點(diǎn)。通過(guò)繪制蛋白質(zhì)之間的連接網(wǎng)絡(luò )，三個(gè)研究小組獨立發(fā)現了一個(gè)叫做“指揮官”的復合物，它由突變基因產(chǎn)生的蛋白質(zhì)組成。“指揮官”是一個(gè)重要的細胞成分，可以對蛋白質(zhì)進(jìn)行分類(lèi)和傳遞，其功能失調就會(huì )導致存在嚴重缺陷的Ritscher–Schinzel綜合征。

過(guò)去3年里，研究小組已經(jīng)發(fā)表了批高質(zhì)量人類(lèi)相互作用組學(xué)圖像。對這些圖像的綜合已經(jīng)識別出約9.3萬(wàn)個(gè)*的蛋白質(zhì)—蛋白質(zhì)相互作用。這并不容易：捕捉到所有的相互作用是一種挑戰，因為一組蛋白質(zhì)搭檔會(huì )隨著(zhù)不同的組織、細胞甚至是時(shí)間而變化。相互作用組是動(dòng)態(tài)的，會(huì )隨著(zhù)細胞對環(huán)境的響應而斷開(kāi)或形成。*繪制它可能需要思考系統生物學(xué)的新方式方法。盡管如此，這個(gè)領(lǐng)域仍在不斷產(chǎn)出成果。

數字游戲

有兩種構建相互作用組圖譜的主要方式。酵母雙雜合化驗通過(guò)把基因表達與細胞內蛋白質(zhì)的相互作用相結合，測試了蛋白質(zhì)對之間的相互作用。第二種方法，通過(guò)用抗體分離復合物及用質(zhì)譜儀識別它們的組分繪制了直接和間接的蛋白質(zhì)接觸。

美國得克薩斯州立大學(xué)*分校系統生物學(xué)家Edward Marcotte的實(shí)驗室在第二種方法基礎上采用了一個(gè)變化，涉及在生物化學(xué)上分離蛋白（例如用蔗糖濃度梯度），從而觀(guān)察哪些分子傾向于呆在一起。由此產(chǎn)生的圖像讓Marcotte及其實(shí)驗室博士后Anna Mallam對“指揮官”復雜的細胞角色進(jìn)行了推斷。那些數據和其他發(fā)現表明，“指揮官”會(huì )將特定蛋白質(zhì)從細胞膜轉移到被稱(chēng)為高爾基體的空間里，它們在那里被循環(huán)利用。

目前，大的圖譜包含了成千上萬(wàn)的蛋白質(zhì)，與放射狀的星暴相比，它們更加類(lèi)似于纏結的毛球。通過(guò)解開(kāi)這些基因，研究人員可以識別出區分致癌基因與“正常”基因的特征，還可以定義關(guān)鍵的生物學(xué)過(guò)程，如細胞分裂期間的染色體隔離。

馬薩諸塞州波士頓丹娜—法伯癌癥研究所計算生物學(xué)研究者Katja Luck說(shuō)，即使有多種方法，相互作用組圖譜“仍然是不完整的”。這是一個(gè)關(guān)于數字的問(wèn)題。人類(lèi)基因組包含約兩萬(wàn)個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因。如果一個(gè)人假設每種蛋白質(zhì)只有一種形式（過(guò)于簡(jiǎn)化的情況），那么大約有兩億種可能的相互作用。實(shí)際數字可能要小得多，因為許多交互都是間接的，一對一交互范圍估計在12萬(wàn)到100萬(wàn)之間。

從生物化學(xué)方面看，蛋白質(zhì)是的多樣化令人難以置信，因此它們之間的相互作用不能被每一次的試驗所捕獲。“我們只是剛剛開(kāi)始理解不同方法的偏差。”Luck說(shuō)。

基因剪刀
Luck是遺傳學(xué)家Marc Vidal實(shí)驗室的博士后，Vidal設想的參考圖可能只包含所有潛在的相互作用的子集。細胞和組織的變化以及改變細胞的反應累積成為全部相互作用組的許多可能的版本。對德國馬普學(xué)會(huì )生物化學(xué)研究所生化學(xué)家Matthias Mann來(lái)說(shuō)，這些變化令人畏懼。但他對用基因編輯技術(shù)的力量，如用CRISPR-Cas9解決這些問(wèn)題表示樂(lè )觀(guān)。

Mann的繪圖方法涉及表達了數百種蛋白質(zhì)的細胞株庫，這些蛋白質(zhì)是通過(guò)一種叫作軌道阱的超高分辨率質(zhì)譜儀進(jìn)行測試的。誘餌蛋白質(zhì)被融合到綠色熒光蛋白，產(chǎn)生一種光度輪廓，讓研究人員能夠通過(guò)活細胞成像量化相互作用。在21世紀頭十年后期，創(chuàng )建細胞株庫“相當費力”，他說(shuō)。“現在，由于有了CRISPR基因工程技術(shù)，我們的新方法獲得了雙翼。”

自從2010年引入該量化方法以來(lái)，Mann的團隊已經(jīng)繪制并量化了超過(guò)2.8萬(wàn)個(gè)相互作用的強度。一對一比率的蛋白質(zhì)對的相互作用被認為是“強大”的，可能存在于穩定和豐富的復合體中。Mann解釋說(shuō)，如果沒(méi)有這樣的信息，“很難說(shuō)這個(gè)網(wǎng)絡(luò )的結構是怎樣的”。對他所在團隊繪制的圖譜進(jìn)行的分析顯示，人類(lèi)相互作用組由弱關(guān)聯(lián)主導，這可能反映了低豐度調控蛋白對更穩定的蛋白質(zhì)機器的作用。

細微調整
這一領(lǐng)域的普遍趨勢是采用相對溫和的樣品制備方法，其目的是真實(shí)地捕捉細胞中所有蛋白質(zhì)—蛋白質(zhì)相互作用。“我們正試圖找到破壞性更低的方法。”加州圣荷西市生命科學(xué)公司賽默飛世爾科技公司生物化學(xué)家Rosa Viner說(shuō)。該公司專(zhuān)注于改進(jìn)樣品制備、工作流程和質(zhì)譜技術(shù)，目的是幫助研究人員識別細胞中存在的相互作用。“這是艱巨的挑戰：找到不需要任何人工現象的情況下讓我們獲得好的照片的方法。”她補充道。

人工現象包括在檢測到它們的相互作用之前就分解的蛋白質(zhì)復合物。為了把這些復合物凝聚在一起，Viner與加州大學(xué)歐文分校的研究人員合作，在質(zhì)譜分析之前在化學(xué)上融合復合物，這種方法叫作交叉連接。一種名為QMIX的策略（多路復用、等比重標記的交叉結合的肽的定量化）已被開(kāi)發(fā)出來(lái)，它可以用化學(xué)標簽整合交叉結合的化合物，從而使研究人員能夠穩定及跟蹤蛋白質(zhì)復合物。

好的分析會(huì )考慮到任何給定方法的盲區。“仍有一些蛋白質(zhì)種類(lèi)非常具有挑戰性。”波士頓哈佛醫學(xué)院細胞生物學(xué)家Wade Harper說(shuō)，“當進(jìn)行高通量分析時(shí)，你會(huì )被限制在對單個(gè)蛋白質(zhì)有多關(guān)注上。”這樣的分析往往會(huì )對每個(gè)反應進(jìn)行相同的處理，幾乎沒(méi)有定制化的余地。

Harper和哈佛同事Steven Gygi創(chuàng )建了一個(gè)實(shí)驗室小組調整他們的方法。“我們的團隊規模相對較小，只有4到6人，每個(gè)月可以創(chuàng )建400到500個(gè)細胞株。”他說(shuō)。這些努力迄今為止已經(jīng)通過(guò)單個(gè)通道產(chǎn)生了大量的人類(lèi)蛋白質(zhì)復合物數據集。他們的譜圖名為“bioplex”，包含約12萬(wàn)個(gè)相互作用。

更大圖景
但為了更近一步去看這些相互作用，研究人員必須深入研究細胞自身的擁擠情況。加拿大多倫多大學(xué)生化學(xué)家Anne-Claude Gingras使用一種名為BioID的技術(shù)，該技術(shù)基于蛋白質(zhì)的接近性將其連接到另一個(gè)蛋白質(zhì)上。相關(guān)的標記蛋白會(huì )給附近的蛋白添加化學(xué)標記，留下它相互作用的證據——就像一個(gè)揮動(dòng)著(zhù)彩筆蹣跚學(xué)步的孩童經(jīng)過(guò)房間時(shí)候留下的痕跡。其結果是一幅圍繞著(zhù)初始蛋白的在物理上近鄰的圖像。Gingras解釋說(shuō)，識別一個(gè)蛋白質(zhì)的更大社區可能揭示其細胞功能的細節。

近距離成像還可以讓研究人員跟蹤那些無(wú)法被其他試驗所發(fā)現的蛋白，比如難以分離的膜嵌入蛋白。Gingras說(shuō)：“我們和其他研究人員研究了核染色質(zhì)上的蛋白，繪制了中心體的組織，探測出跨越各種膜之間的相互作用。”通過(guò)使用BioID，該小組在一個(gè)信號通路中發(fā)現了在發(fā)育過(guò)程中可調節器官大小的新組分。

Lippincott-Schwartz說(shuō)，這種相互作用組是細胞生物學(xué)家的“假說(shuō)生成器”。“一旦你看到一種認識的蛋白質(zhì)與一大堆你不知道其功能的蛋白質(zhì)相互作用時(shí)，你就開(kāi)始進(jìn)行測試。”隨著(zhù)相互作用組圖像而終被高質(zhì)量、豐富的相互作用所充實(shí)，研究人員將能開(kāi)始驗證那些假說(shuō)。


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