来自美国约翰霍普金斯大学的研究人员首次破解出位于细胞膜中的一种酶---扁菱形蛋白酶(rhomboid protease)---的“稳定性蓝图(stability blueprint)”，描绘出这种酶的哪些部分对它的形状和功能是比较重要的。2012年7月15日，相关研究结果发表Nature Chemical Biology期刊上，它们可能最终导致人们开发出药物来治疗疟疾和其他寄生虫病。
扁菱形蛋白酶在很多不同有机体中存在，是位于细胞膜中的一种独特类型的酶，而且在细胞中它们剪切蛋白。在此之前，约翰霍普金斯大学医学院分子生物学与遗传学副教授Sinisa Urban博士和他的同事们证实扁菱形蛋白酶对恶性疟原虫(Plasmodium falciparum)成功地入侵红细胞以便最终导致感染产生而言是至关重要的，其中恶性疟原虫是一种导致疟疾的寄生虫。因此，理解扁菱形蛋白酶形状的稳定性可能会影响酶抑制剂开发，此外，还需要理解这种酶如何发挥作用：是像岩石那样坚硬，还是更像有粘性的果冻(Jell-O)？
研究扁菱形蛋白酶的一大挑战就是它们是被细胞膜包围着的，从而使得它们很难被操纵。为此，Urban教授研究团队利用一种被称作热光散射(thermal light scattering)---给酶样品加热从而渐近性地提升至更高的温度，同时测量从酶分子上反弹回来的光照量---来开展研究。正常形状遭受破坏的酶散射出的光线不同，因此酶形状发生破坏时的温度就指示出这种酶的内在稳定性。
研究人员首先精确地测量了大肠杆菌扁菱形蛋白酶的稳定性。Urban说，令人吃惊的是，与拥有类似形状的其他膜蛋白相比，这种酶的形状更加像“果冻”。他猜测这种形状可能有助于扁菱形蛋白酶与它进行剪切的其他蛋白相互作用。为了找到这种酶中哪些部分在维持它的形状中发挥重要和哪些部分在它的功能中发挥出更加至关重要的作用，研究人员就构建出和测试了该酶的150种不同的突变体。他们发现4个主要区域在维持形状中和至少2个区域在功能中发挥出重要的作用。
研究人员利用计算机模拟来测试这种酶如何发挥功能。利用该酶的一种计算机程序模型，他们按照它的天然细胞膜环境---主要是由脂肪组成，水分非常有限---进行编程。这种计算机程序然后模拟这种环境如何可能影响这种酶。研究人员发现它含有一种特殊的用来容纳水分子的内部口袋。
Urban希望更好地理解扁菱形蛋白酶将有助于人们开发出治疗疟疾和其他寄生虫疾病的新疗法。(生物谷：Bioon.com)
本文编译自Is It a Rock, or Is It Jello? Defining the Architecture of Rhomboid Enzymes
doi: 10.1038/nchembio.1021
PMC:
PMID:
Architectural and thermodynamic principles underlying intramembrane protease function
Rosanna P Baker & Sinisa Urban
Intramembrane proteases hydrolyze peptide bonds within the membrane as a signaling paradigm universal to all life forms and with implications in disease. Deciphering the architectural strategies supporting intramembrane proteolysis is an essential but unattained goal. We integrated new, quantitative and high-throughput thermal light-scattering technology, reversible equilibrium unfolding and refolding and quantitative protease assays to interrogate rhomboid architecture with 151 purified variants. Rhomboid proteases maintain low intrinsic thermodynamic stability (ΔG = 2.1–4.5 kcal mol−1) resulting from a multitude of generally weak transmembrane packing interactions, making them highly responsive to their environment. Stability is consolidated by two buried glycines and several packing leucines, with a few multifaceted hydrogen bonds strategically deployed to two peripheral regions. Opposite these regions lie transmembrane segment 5 and connected loops that are notably exempt of structural responsibility, suggesting intramembrane proteolysis involves considerable but localized protein dynamics. Our analyses provide a comprehensive 'heat map' of the physiochemical anatomy underlying membrane-immersed enzyme function at, what is to our knowledge, unprecedented resolution.
