Science重磅：納米孔直接測序蛋白質(zhì)，精度高達100%，還可識別氨基酸修飾
蛋白質(zhì)是構(gòu)成生物體的主要成分，同時也是生命活動的主要承擔者。具有生物學功能的蛋白質(zhì)往往具有特定的空間結(jié)構(gòu)，而蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)在多個層級上被定義，其中一級結(jié)構(gòu)，即氨基酸的種類和排列，最為重要，它可以決定蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)。
但一直以來，想要直接讀取蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)是十分困難的，在大多數(shù)情況下，科學家們會根據(jù)基因序列和氨基酸密碼子表來“破譯”蛋白質(zhì)的氨基酸序列。然而，由于轉(zhuǎn)錄后修飾和翻譯后修飾的存在，破譯結(jié)果并非完全正確，甚至與真實的氨基酸序列有很大差異。
2021年11月4日，荷蘭代爾夫特理工大學的研究人員在 Science 期刊上發(fā)表了題為：Multiple rereads of single proteins at single–amino acid resolution using nanopores（利用納米孔在單氨基酸分辨率下對單蛋白質(zhì)進行多次重讀）的研究論文。
該研究利用納米孔測序技術成功掃描并讀取單個蛋白質(zhì)的氨基酸序列：線性化的DNA-肽復合物緩慢通過一個微小的納米孔，根據(jù)電流的變化和強度，研究人員就能讀取相關的蛋白質(zhì)信息內(nèi)容，直接對蛋白質(zhì)的氨基酸序列進行測序。
蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔者。事實上，所有生物的蛋白質(zhì)都是由大約20種不同的氨基酸組成的長肽鏈，就像項鏈上有不同種類的珠子一樣。遺憾的是，目前的蛋白質(zhì)測序方法價格昂貴，而且不能檢測許多稀有蛋白質(zhì)。
近年來發(fā)展起來的納米孔測序技術，已經(jīng)能夠直接掃描和排序單個DNA分子。如今，這篇發(fā)表在 Science 上的研究表明，我們完全可以以類似于DNA納米孔測序的方式直接讀取蛋白質(zhì)的氨基酸序列。
本研究的通訊作者 Cees Dekker 教授表示：在過去的30年里，基于納米孔的DNA測序已經(jīng)從一個想法發(fā)展成為一個實際的工作設備，并成功開發(fā)了商業(yè)化的便攜式納米孔測序儀，服務于價值數(shù)十億美元的基因組測序市場。在我們的論文中，我們將納米孔的概念擴展到單個蛋白質(zhì)的讀取。這可能會對基礎蛋白質(zhì)研究和醫(yī)學診斷產(chǎn)生重大影響。
直接讀取氨基酸序列
對于如何利用納米孔讀取肽鏈中的單個氨基酸的特征，這篇論文的第一作者 Henry Brinkerhoff 博士打了一個形象的比喻：“想象一下，一個肽鏈中的氨基酸鏈就像一條項鏈，上面有不同大小的珠子。然后，你打開水龍頭，慢慢地把項鏈送入下水道，也就是納米孔。如果在某個時間點是一顆大珠子，它會堵塞下水道，那里面的水也就成了涓涓細流。相反，如果是一顆小珠子，那么下水道剩余的空隙就會比較大，水流也更大。”
因此，通過這項技術，研究人員可以非常精確地測量納米孔的電流大小，并以此推測相應的氨基酸種類。更關鍵的是，這個過程并不會影響肽鏈的完整性，因此我們能夠一次又一次地讀取單個肽鏈，然后對所有數(shù)據(jù)進行擬合，從而以基本上100%的準確率獲得肽鏈的序列組成。
條形碼般的識別精度
為了進一步驗證這項技術的準確性，研究人員改變了肽鏈的某個氨基酸，然后能夠檢測到顯著差異的電信號，表明該技術是極其靈敏的。
事實上，這項新技術在識別單個蛋白質(zhì)和繪制它們之間的細微變化方面非常強大，打個形象的比方——就像超市的收銀員通過掃描條形碼來識別每個產(chǎn)品一樣。這也可能為未來的蛋白質(zhì)從頭測序提供新的途徑。
Henry Brinkerhoff 博士表示：這項方法可能為未來蛋白質(zhì)測序奠定基礎，但就目前來說，蛋白的從頭測序仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。我們?nèi)匀恍枰罅棵枋鰜碜圆煌蛄械碾娦盘?，以便?chuàng)建一個對應電信號和蛋白質(zhì)序列的“密碼表”。但即便如此，該研究已經(jīng)能夠成功分辨蛋白質(zhì)序列中的單個氨基酸的改變，這無疑是一項重大進步，也將產(chǎn)生許多直接應用。
看見生物學的“暗物質(zhì)”
暗物質(zhì)，是理論上提出的可能存在于宇宙中的一種不可見的物質(zhì)，它可能是宇宙物質(zhì)的主要組成部分，但又不屬于構(gòu)成可見天體的任何一種已知的物質(zhì)。
在細胞中，存在許多不可知的“暗物質(zhì)”——翻譯后修飾導致的數(shù)百萬種蛋白質(zhì)變異。這些蛋白質(zhì)變異無法通過基因序列進行預測，但納米孔蛋白測序技術的出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)了這一情況，利用目前的納米孔肽閱讀器，研究人員可以直接觀測這些“生物學中的暗物質(zhì)”。
為了方便理解，通訊作者 Cees Dekker 教授打了一個比喻：項鏈上的珠子并不只是大小不同，還可能顏色不同，比如一些紅色的珠子上代表附著一個磷酸基，另一些藍色的珠子上代表附著一個糖基。這些變化對蛋白質(zhì)功能至關重要，同時也是癌癥等疾病的標志。我們的新方法將能夠檢測到這些變化，從而為癌癥等疾病的檢測和治療提供新的理論依據(jù)。
結(jié)語
總而言之，這種能夠直接讀取蛋白質(zhì)序列的蛋白質(zhì)組學工具對于細胞生物學的研究和應用具有重要意義。該研究展示了一種基于納米孔的單分子肽閱讀器，它利用DNA解旋酶Hel308將DNA-肽結(jié)合物通過生物納米孔MspA，根據(jù)電流變化讀取線性化蛋白質(zhì)的氨基酸序列。更重要的是，這種方法可以區(qū)分單個氨基酸的變化，具有高保真度和高通量潛力。這種單分子肽閱讀器標志著蛋白質(zhì)鑒定的新突破，并為單細胞內(nèi)的單分子蛋白質(zhì)測序和分類開辟了道路。
撰文 | 王聰
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