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研究人员解码分子为生物组织提供灵活性

该图描绘了复合原弹性蛋白分子的构型,其形成弹性蛋白的基础,其赋予皮肤和血管等组织弹性。该分子的原子 - 原子结构由麻省理工学院,澳大利亚和英国的一组研究人员解码。

允许活组织在整个一生中膨胀,收缩,伸展和弯曲的伸展性是称为原弹性蛋白的蛋白质分子的结果。值得注意的是,这种分子可以拉伸到其长度的八倍,并始终恢复到原来的大小。

现在,研究人员首次解码了这种复杂分子的分子结构,以及在各种遗传驱动疾病中其结构可能出现问题的细节。

原弹性蛋白是弹性蛋白的前体分子,其与称为微纤维的结构一起是包括皮肤,肺和血管在内的组织柔韧性的关键。但这种分子很复杂,依次由698个氨基酸组成,并充满了无序区域,因此解开其结构一直是科学的一大挑战。

这一挑战已由一组研究人员解决,他们使用分子建模和实验观察的组合来构建分子结构的原子图像。结果出现在美国国家科学院院刊上,由杰里迈克菲工程学教授兼麻省理工学院土木与环境工程系主任Markus Buehler撰写。麻省理工学院博士后Anna Tarakanova博士'17;还有三个在悉尼大学和曼彻斯特大学。

“原弹性蛋白的结构一直难以捉摸,”塔拉卡诺娃说。传统的表征方法不足以解码这种分子“因为它非常大,无序和动态。”但是,这个团队使用的计算机建模和实验观察的结合“使我们能够预测分子的完全原子结构,”她说。

该研究显示,控制原弹性蛋白形成的单基因中某些不同的致病突变如何改变分子的刚度和动态反应,这最终有助于设计治疗或对这些病症采取对策。研究人员诱导的其他“人工”突变与任何已知的天然突变不对应,可用于更好地理解受该突变影响的基因特定部分的功能。

“我们有兴趣探测分子的特定区域,以了解该区域的功能,”Tarakanova说。“除了赋予弹性外,该分子在细胞信号传导和细胞粘附中起着关键作用,影响细胞过程,这是由与分子内特定序列的相互作用驱动的。”

该研究还研究了由与已知疾病相关的突变引起的原弹性蛋白分子的特定变化,例如皮肤缺乏弹性并松散悬挂的皮肤松弛。“我们表明,与疾病相关的点突变会导致分子的变化产生影响 - 疾病的机制实际上源于[分子量表的变化],”她说。

“理解这种分子的结构不仅在疾病的背景下很重要,”Buehler说,“但也可以让我们将这种生物材料的知识转化为合成聚合物,这种聚合物可以满足某些工程需求。在所需属性的背景下,秩序和无序的平衡可能为新的设计师材料敞开大门。“

他们用于解开原弹性蛋白分子结构的方法包括基于分子动力学建模和模拟的技术。虽然这种方法已被用于研究更简单的分子结构,但她说,“这是我们首次证明它可用于原弹性蛋白大小的高度无序分子,然后根据实验数据进行验证。”

该方法结合了“分子的全局结构,考虑分子结构必须适合的总体轮廓”。然后,他们详细研究了分子内的局部二级结构,这些结构是从实验工作的科学文献中的大量数据中挑选出来的。她说:“地方结构与全球结构的关系为我们提供了一个与实验相比较的点,”验证了他们的发现。

她补充道,他们使用的技术可用于理解其他大型复杂分子。“更一般地说,我认为这种方法适用于高度无序的大分子 - 据估计,你体内一半的蛋白质含有高度无序的区域。这可能是一个非常强大的观察框架在许多种[生物]系统中。“

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