Cell：綜述蛋白質-蛋白質相互作用 40 年

來源：immunity 速讀

近日，加州大學舊金山分校 Nevan J. Krogan、多倫多大學 Jack F. Greenblatt 共同通訊在《Cell》發表綜述 「Discovery and significance of protein-protein interactions in health and disease」，討論了蛋白質-蛋白質相互作用（PPIs）的技術發展和重要生理病理意義。

//此論文屬於《Cell》創刊 50 週年慶之分子生物學特刊。

蛋白質-蛋白質相互作用的鑑定在過去 40 年中不斷髮展。20 世紀 80 年代開始的蛋白質親和層析等初步嘗試意義重大，如利用 λN 蛋白尋找其相互作用夥伴等。然而，該方法需要高度純化的蛋白質，並且在鑑定相互作用蛋白方面面臨挑戰。抗體和融合蛋白也發揮了作用，如發現與 p53 和病毒癌蛋白相關的相互作用。但免疫共沉澱在多蛋白研究中的可擴展性較差，且依賴於困難的抗體制備。

20 世紀 90 年代末質譜（MS）的引入，尤其是液相色譜-串聯質譜（LC-MS/MS），徹底改變了 PPI 的鑑定。與細胞內標記和親和純化（AP）相結合，AP-MS 方法變得強大，能夠在酵母和大腸桿菌等生物中進行全基因組 PPI 鑑定，從而深入瞭解染色質生物學和其他分子生物學方面。在後生動物中，AP-MS 有助於繪製數千種蛋白質的 PPI 圖譜，揭示信號通路和翻譯後修飾（PTM）的作用。然而，AP-MS 存在侷限性，包括過表達可能產生的假象以及無法捕獲不同細胞條件下的所有 PPI。

蛋白質共分離與 MS（CF-MS）作爲一種補充方法出現。CF-MS 鑑定了新的蛋白質複合物如小鼠大腦中與肌萎縮側索硬化症（ALS）相關的複合物。CF-MS 適用於研究病原體感染的細胞，並且可以定量比較不同細胞類型或處理。但由於共純化可能是偶然的，因此需要驗證，並且 MS 在檢測所有蛋白質方面存在侷限性。

驗證 PPI 至關重要。學界已經開發了諸如免疫沉澱-蛋白質印跡（IP-Westerns）、共振能量轉移（RET）、鄰近連接測定（PLAs）和鄰近標記方法等技術。然而，區分直接和間接相互作用仍然是一個挑戰。遺傳系統如酵母雙雜交（Y2 H）系統和分裂蛋白系統已被用於此，但在檢測大型複合物中的 PPI 方面存在侷限性。交聯質譜（XL-MS）可以識別相互作用表面和弱 PPI，但在全蛋白質組範圍內無標記鑑定交聯肽仍是一個活躍的研究領域。

利用野生型和突變型蛋白質進行 AP-MS 爲疾病研究提供了重要見解。對神經退行性疾病、致癌突變和自閉症譜系障礙（ASD）風險基因的研究顯示了差異性 PPI。例如，澱粉樣前體蛋白（APP）和 PIK3CA 的突變分別與線粒體功能障礙和相互作用親和力的改變有關。這些研究表明，差異 PPI 圖譜有助於確定疾病突變的優先級，從而爲治療靶點提供依據。

理解蛋白質機器和複合物的生物化學解析和功能是關鍵一步。蛋白質複合物可以多種形式存在，解析它們需要互補的生物化學和結構方法。優先研究那些作爲蛋白質機器發揮功能的複合物（通常具有能量驅動的構象變化）有助於理解其功能。冷凍電鏡（cryo-EM）技術的進步有望加速這一理解過程。

人工智能和冷凍電鏡與 AP-MS 和 CF-MS 一起對 PPI 導向的治療產生影響。AlphaFold 準確的蛋白質結構預測和 PPI 預測有助於識別直接 PPI 並確定疾病突變的優先級。這種綜合方法可以確定新的藥物靶點和治療策略。人工智能和 XL-MS 的未來發展可能實現高分辨率、全面的 PPI 圖譜繪製，甚至可能達到單細胞分辨率，將徹底改變我們對 PPI 及其在健康和疾病中作用的理解。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.10.038

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