從微小晶體中解析蛋白質結構的新方法

利用X射線揭示蛋白質的原子級三維結構，在理解這些分子如何在細菌、病毒、植物和人類中發(fā)揮作用方面取得了無數進展——并指導了對抗癌癥和艾滋病等疾病的精確藥物的開發(fā)。但是許多蛋白質不能長成足夠大的晶體，因為它們的原子排列會被破譯。為了應對這一挑戰(zhàn)，美國能源部布魯克海文國家實驗室的科學家和哥倫比亞大學的同事開發(fā)了一種新方法，從微小的晶體中解決蛋白質結構。

這種方法依賴于獨特的樣本處理、信號提取和數據組裝方法，以及能夠將強X射線聚焦在布魯克海文國家同步輻射光源二號(NSLS二號)——美國能源部科學辦公室的用戶設施——上，達到百萬分之一米的位置，大約是人類頭發(fā)寬度的五十分之一。

布魯克海文實驗室的科學家劉群說：“我們的技術確實打開了處理以前無法接觸到的微晶的大門，包括細胞表面受體和其他難以結晶的膜蛋白、柔性蛋白以及許多復雜的人類蛋白。這項研究的相應作者于2019年5月3日發(fā)表在《國際晶體學聯合會雜志》上。

蛋白質結構的解釋

自1958年以來，蛋白質結晶學一直是解決蛋白質結構的主要方法。隨著時間的推移，隨著X射線源越來越強大，可以進行更精確的結構確定。為了確定蛋白質結構，科學家們測量了像NSLS二號產生的x光是如何衍射或反彈的，以及由同一蛋白質分子的許多拷貝組成的有序晶格中的原子是如何以相同的方式排列的。衍射圖案傳達了原子位置的信息。但這還不夠。

“只有衍射X射線波的振幅會被記錄在探測器上，而不是它們的相位(波之間的時間)，”劉說?！皟烧叨夹枰亟ㄈS結構。這就是所謂的晶相問題?！?

晶體學家通過從不同類型的散射中收集相位數據來解決這個問題，這種散射被稱為異常散射。當比蛋白質的主要成分碳、氫和氮更重的原子吸收并重新發(fā)射一些X射線時，就會發(fā)生異常散射。當X射線能量接近重原子喜歡吸收的能量時，就會發(fā)生這種情況。為此，科學家有時會在蛋白質中人工插入重原子，如硒或鉑。但是整個蛋白質分子中天然存在的硫原子也能產生這樣的信號，盡管它們很弱。雖然這些異常信號很弱，但大晶體通常有足夠的硫原子拷貝，使它們有足夠的硫原子，使它們可以測量。

“一旦知道了硫的位置，就可以計算出其他蛋白質原子的相位，因為硫和其他原子的關系是固定的，”劉說。

但是根據定義，微小的晶體沒有那么多感興趣的蛋白質拷貝。因此，布魯克海文/哥倫比亞團隊沒有從單個大晶體中的蛋白質復制副本中尋找衍射和相位信息，而是從許多微小晶體中開發(fā)了一種測量方法，然后總結了集體數據。

微小的晶體，效果非常好。

為了處理微小的晶體，研究小組開發(fā)了一種帶有微小孔洞的樣品網格。在將含有微晶的溶劑倒入這些安裝好的網格后，科學家們移除了溶劑，并凍結了網格上的晶體。

“盡管如此，我們仍然面臨挑戰(zhàn)，因為我們看不到微小晶體在網格上的位置，”劉說。“為了找到答案，我們在NSLS-II的前沿微聚焦大分子晶體學(FMX)光束線上用微衍射測量了整個網格。一行行掃描，我們就能發(fā)現這些晶體藏在哪里。”

正如FMX的主要光束線科學家馬丁富克斯解釋的那樣，“FMX光束線可以將X射線束的整個強度聚焦到1微米或百萬分之一米的大小。我們可以精確地控制光束大小，使其與當前實驗中的晶體大小-5微米相匹配。這些能力對于獲得最佳信號至關重要，”他說。

另一位束線科學家石五賢指出，“電網測量中收集的數據包含了晶體位置的信息。此外，我們還可以看到每個晶體的衍射，這使得我們只能選擇最佳的晶體數據集合?！?

然后，科學家可以操縱樣品架，將每個繪制的感興趣的微晶放回精密x光束的中心進行數據收集。

他們使用光束線上可用的最低能量——盡可能接近硫原子的吸收能量——并收集異常散射數據。

哥倫比亞大學的合著者韋恩亨德里克森說：“大多數晶體光束線無法到達優(yōu)化異常信號的硫吸收邊緣?！靶疫\的是，NSLS-II是世界領先的同步加速器光源，提供明亮的X射線并覆蓋廣泛的X射線能量。即使我們的能級略高于硫的理想吸收能，也會產生我們需要的異常信號?！?

但是科學家們仍然需要做一些工作來提取這些重要的信號，并從許多微小的晶體中收集數據。

“我們實際上獲得了數千條數據，”劉說。“我們使用了大約1400個微晶，每個微晶都有自己的數據集。我們必須把這些微型

晶的所有數據放在一起。”

他們還必須清除受強烈X射線損壞或原子排列略有變化的晶體數據。

NSLS-II的結構生物學項目副光子部門主管兼項目經理Sean McSweeney表示，“單個微晶在被X射線損壞之前不能充分地衍射X射線以獲得結構解決方案。”“對于只有幾微米的晶體，特別是細菌細胞的大小，尤其如此。我們需要一種方法來解釋這種損傷和晶體結構的變化，因此不會影響我們的結果。”

他們通過復雜的多步驟工作流程完成了這些目標，該過程篩選了數據，可能由輻射損壞或不相容的晶體引起的丟棄的異常值，并最終提取異常散射信號。

“這是關鍵的一步，”劉說。“我們開發(fā)了一種計算程序，以確保只有兼容的數據以一種方式合并，以使各個微晶與衍射圖案對齊。這為我們提供了結構測定所需的信噪比。”

應用該技術

該技術可用于確定已經證明難以結晶成大尺寸的任何蛋白質的結構。這些包括細胞表面受體，允許動物和植物等高級生命形態(tài)的細胞通過釋放激素，傳遞神經信號或分泌與細胞生長和免疫相關的化合物來感知和響應周圍的環(huán)境。

“為了通過進化適應環(huán)境，這些蛋白質具有延展性，并且具有許多不均勻的修飾，”劉說。“很難在水晶中獲得大量的重復副本，因為它們不能很好地包裝。”

在人類中，受體是藥物的共同目標，因此了解其各種結構可以幫助指導新的，更有針對性的藥物的開發(fā)。

但該技術并不僅限于小晶體。

“我們開發(fā)的方法可以處理小蛋白質晶體，但它也可以用于任何大小的蛋白質晶體，任何時候你需要結合多個樣品的數據，”劉說。