'bicelles'의 막 단백질 결정화 메커니즘

Oct 16, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 11109(2022) 이 기사 인용

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주로 LCP 및 'bicelle' 결정화의 발달로 인한 놀라운 진전에도 불구하고 구조적 정보의 부족은 막 단백질(MP) 연구의 병목 현상으로 남아 있습니다. 가장 큰 이유는 결정화 메커니즘에 대한 완전한 이해가 부족하기 때문입니다. 여기에서는 MP 결정 성장 과정에서 "bicelle" 결정화 매트릭스의 진화에 대한 소각 산란 연구를 제시합니다. 처음에 매트릭스는 액체와 같은 바이셀 상태에 해당합니다. 그러나 침전제를 첨가한 후 결정화 매트릭스는 젤리 같은 상태로 변형됩니다. 데이터는 이 최종 단계가 결정이 성장하는 상호 연결된 리본 모양 이중층으로 구성되어 있음을 시사합니다. 소량의 다층상이 나타나고 그 부피는 성장하는 결정의 부피와 함께 증가합니다. 우리는 라멜라 상이 결정을 둘러싸고 결정 성장에 중요하며 이는 LCP 결정화에도 흔히 발생한다고 제안합니다. 이 연구는 "bicelle" MP 결정화 메커니즘을 공개하고 결정화의 합리적인 설계를 뒷받침할 것입니다.

막 단백질(MP)은 막을 통한 이온 수송, 에너지 전환, 신호 전달과 같은 살아있는 세포 과정에서 필수적인 역할을 합니다1,2. 인간 게놈의 1/3은 막 단백질을 암호화합니다. 인간 생리학에서 중요한 역할을 하기 때문에 막 단백질은 현재 사용되는 약물의 약 60%의 표적이 됩니다3,4. 현재까지 고해상도 단백질 구조를 얻기 위해 가장 널리 사용되는 방법은 고품질 단백질 결정이 필요한 X선 결정학입니다. 그러나 막 단백질의 결정화는 여전히 주요 과제로 남아 있습니다. 막 단백질의 독특한 구조5는 이용 가능한 모든 독특한 고해상도 단백질 구조의 ~1%만을 차지합니다6. in meso 방법 중 하나는 이중 셀 혼합물에서 결정화하는 것입니다. 그럼에도 불구하고 이 방법은 메커니즘이 아직 불분명하고 철저한 시행착오에만 의존하는 몇 가지 중요한 MP의 해명으로 이어집니다. "바이셀로부터의 결정화"라는 용어는 매트릭스의 초기 상태에만 관련될 수 있으며, 바이셀 상태가 결정 성장을 지원할 수 있는 매트릭스로 진화하는 것은 아직 밝혀지지 않았습니다.

이러한 걸림돌을 극복하는 데 도움이 될 수 있는 새로운 방법, 재료 및 도구를 개발하기 위해 상당한 노력이 기울여졌습니다. 그러나 과거의 시도에도 불구하고 막 단백질 구조의 침착 속도(최초의 막 단백질 구조는 1985년에 침착됨)는 여전히 수용성 단백질에 대해 달성된 속도와는 거리가 멀습니다.

문제를 극복하기 위해 지질 입방상(LCP) 매트릭스의 MP 결정화라는 새로운 방법이 1996년에 도입되었습니다. 이 접근법을 통해 도전적인 MP(예: 로돕신13,14,15 및 G 단백질 결합 수용체)의 결정화가 가능해졌습니다. 수십 년 동안 표준 증기 확산 방법으로 결정화에 저항해 왔습니다.

in meso 결정화 접근 방식은 LCP 매트릭스19, MSP 기반20 또는 폴리머 경계21,22 나노디스크의 결정화 및 bicelles7,9의 결정화를 생성하기 위한 다양한 특성을 가진 지질의 활용과 같은 다른 방법 및 도구를 통해 더욱 개발되고 확장되었습니다. ,10.

이전에는 bicelles가 미셀보다 잠재적으로 우수한 모델을 모방하는 멤브레인으로 도입되었습니다. 지질과 세제의 일부 혼합물은 지질 이중층, 코어 및 세제 안정화 테두리가 있는 디스크 모양의 입자를 형성하여 기본 세포막을 모방하여 MP에 안정화 환경을 제공하는 것으로 나타났습니다. DMPC(Dimyristoyl phosphatidylcholine)는 종종 bicelles의 장쇄 인지질 성분으로 사용되며, 사슬 길이는 비슷하지만 헤드 그룹이 다른 인지질로 도핑될 수 있습니다. 반면, 림은 3-(콜아미도프로필) 디메틸암모니오-2-히드록시-1-프로판술포네이트(CHAPSO)와 같은 담즙염 단쇄 유도체에 의해 안정화될 수 있습니다. 바이셀의 장쇄 인지질은 단쇄 인지질이나 세제가 없는 평면 코어 영역에 격리되어 있기 때문에 바이셀의 코어 영역은 기존 세제 미셀보다 천연 막의 단면을 훨씬 더 잘 모방합니다. 이러한 지질 입자의 크기와 특성은 장쇄 지질 대 세제 또는 단쇄 지질(Q-비율) 및 지질 농도의 비율에 따라 달라질 수 있습니다. Q의 변형은 다양한 유형의 생물학적 연구에 적합한 다양한 유사한 바이셀 단계를 제공합니다. 일반적으로 높은 지질 비율(Q > 2)과 넓은 농도 범위(Clp = 0.25-25%(w/w))에서 직경이 약 100-500Å인 이세포가 형성됩니다24,25,26,27 ,28,29,30,31,32,33. Q가 감소하면 쌍세포가 더 작아집니다.