隨著測序技術的不斷發展，基因組測序已經變成一件平常的事情。在國外，越來越多的人可以從藥店自行購買DNA測試盒，取樣完成后寄給基因測序公司獲取報告。我們不得不承認，如今基因分析在洞見人類遺傳、疾病和健康方面有著不言而喻的先見性。但是即便是在當下基因分析紅透半邊天的時代，DNA指導合成蛋白質卻仍存有不少未知。近日，哈佛醫學院的科學家們通過評估在實驗室制造的基因突變對蛋白質功能的影響，以確定蛋白質的3D結構。該研究發表在《Nature Genetics》雜志上。
哈佛醫學院系統生物學副教授、研究高級研究員Debora Marks說：“我們生活在一個由結構決定功能的三維世界中。了解蛋白質在細胞內的形狀和結構可以幫助我們預測它們的功能，這些結構的變化會對細胞功能帶來影響。”
人體內的每一種蛋白質都是由20種不同的氨基酸組合而成的。這些氨基酸折疊、交錯和相互聯系的三維結構決定了蛋白質功能。
哈佛學者通過評估基因突變探秘蛋白質3D結構
確定了蛋白質的3D結構標志著我們在了解疾病和單個蛋白質變化方面取得了顯著進展，并且還能夠為開發針對特定蛋白質部分的精確藥物提供信息。
站在巨人的肩膀上創新
以往研究人員一直是依靠x射線晶體學、低溫電子顯微鏡（cryo-EM）或核磁共振成像（NMRI）等方法來確定蛋白質結構。但是這些方法不僅耗時而且需要昂貴專業的設備。此外，一些蛋白質與細胞膜相結合或者易于聚集成團，它們無法通過可視化技術獲得3D結構。
為了尋找更好的方法，Marks和她的同事們將目光轉向DNA突變庫。研究人員打破了之前研究套路—依賴自然發生的DNA突變樣本，而是選擇從實驗室制造的DNA突變樣本中獲取蛋白質的3D結構。
由其他研究人員開發合成DNA序列，其中DNA序列改變從而改變了單個氨基酸。他們利用高通量方法來合成各種基因突變，然后確定突變對蛋白質功能的影響。
哈佛學者通過評估基因突變探秘蛋白質3D結構
研究人員發現DNA序列中的功能互作，包含四種不同蛋白質和一種RNA。
由此，研究人員構建了蛋白質的3D結構，這為蛋白質在細胞中的作用提供有價值的線索。
同一序列中不同氨基酸同時突變
該研究小組特別對在同一序列中產生不同氨基酸突變的文庫感興趣。他們尋找具有上位性突變。 所謂上位性是指某一基因由于受到不同位點上別的基因抑制而不能表達的生物學效應。
哈佛學者通過評估基因突變探秘蛋白質3D結構
遺傳實驗發現上位性相互作用可以獲取蛋白質3D結構
該團隊使用來自人類，酵母和水稻的蛋白質，包括雙蛋白質復合物，以及核糖酶。這些分子中的每一個都經過充分研究，并通過其他方法得到了現有結構，這使得團隊能夠驗證其最終預測的精確度。
哈佛學者通過評估基因突變探秘蛋白質3D結構
研究人員將這些庫中的信息輸入計算機程序，用于生成分子的三維結構。令人驚訝的是，來自這些上位突變的數據足以產生與已建立的方法相似的結構，其物理位置的變化小至1.8埃（1埃等于10?1?米）。
小蛋白質結構研究的優先選擇
Marks表示，這種方法并不能取代x射線晶體學或核磁共振作為獲得三維結構的方法。但這種方法將會是研究蛋白質3D結構的另一個工具，并了解它們是如何工作的
盡管這種方法適用于小蛋白，但較大的蛋白面臨更多的挑戰。例如，一個由300個氨基酸組成的蛋白質可能有1600萬個突變對序列。盡管序列合成的效率正在大大提高，而且可能很快就會突破這一限制，但創建這種大小的文本庫仍然很困難。
關于蛋白質結構
蛋白質結構是指蛋白質分子的空間結構。蛋白質主要由碳、氫、氧、氮等化學元素組成，是一類重要的生物大分子，所有蛋白質都是由20種不同氨基酸連接形成的多聚體，在形成蛋白質后，這些氨基酸又被稱為殘基。
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