計算機模型可揭示整聯蛋白的運行機制

據物理學家組織網3月21日報道，最近，美國加利福尼亞大學（UC）伯克利分校和勞倫斯·伯克利國家實驗室科學家開發出一種整聯蛋白的計算機模型，只有約20納米長，能模仿真實的整聯蛋白在細胞中的活動，且對能量和其他變化產生的反應。這一成果為人們探索整聯蛋白如何把細胞內外環境聯系在一起開辟了新途徑。相關論文發表在最近出版的《公共科學圖書館·計算生物學》上。

細胞就像一種社會動物，不停地與周圍環境交往互動，接受來自周圍的信號：何時該分裂、要到哪里去以及其他危急任務。驅動整個細胞網絡運作的關鍵要素之一就是整聯蛋白。這種蛋白位于細胞的外層質膜，由α和β兩個亞基組成，能把細胞外的機械壓力轉化為細胞內的化學信號，告訴細胞該做什么。如果它們不能正常工作，整聯蛋白就會導致疾病，如動脈粥樣硬化和多種癌癥。

但迄今為止，科學家還未能確切知道整聯蛋白是怎么工作的，以及它的完整晶體結構，因為要通過實驗觀察蛋白質分子機器的運作非常困難。如果有一種不依賴實驗方法的新途徑，將為研究帶來極大便利。

新研究由伯克利實驗室物理生物科學分部科學家、生物工程與機械工程副教授莫罕默德·莫弗雷德和研究生邁哈戴德·邁哈博德共同指導。他們的“分子動力學”模型是計算生物學領域的最新范例，通過計算機分析生物現象，探索無法用實驗揭示的原理機制。整聯蛋白模型的模擬運作要花大量機時，某些模擬需要600個并行處理器運行48個小時。莫弗雷德說：“現在，我們能通過計算機模擬，揭示質膜上的整聯蛋白是怎樣把細胞外的機械信號轉化為細胞內的化學信號的。”

利用該模型，研究人員還揭示了整聯蛋白是怎么“知道”用更多數量來反應更大壓力的。當它們被外部壓力激活時，整聯蛋白會在細胞表面聚集在一起，把它們的蛋白質連接起來形成一種焦點粘合結構，受到更大壓力時，這些粘合還會召集更多的整聯蛋白。根據模型顯示，組成整聯蛋白的亞基是由肌動蛋白細絲連接在一起的，這可能是它們能吸引更多同伴的原因，這種結構形成了細胞的基本骨架。“我們發現，如果肌動蛋白細絲承受了更大壓力，它們會自動地把更多整聯蛋白聚在一起，形成更大的集叢。”邁哈博德說。

該模型還有助于回答一個長期未解的問題：整聯蛋白是在被激活后立即發生了相互作用還是即便它們聚在一起，彼此間也根本不會相互作用。研究人員利用模型模擬了當整聯蛋白嵌在質膜上時，彼此間發生相互作用的可能性。他們發現，整聯蛋白在間隔一個β亞基時很可能發生相互作用。

這些發現都是通過計算模擬獲得，有助于指導人們設計新的實驗，以揭示整聯蛋白的作用及運行機制。莫弗雷德說：“我們的研究提出了一種假設，將整聯蛋白活性與聚集聯系在一起，也為將來的研究開辟了新途徑。” （常麗君）