Cell综述｜蛋白质-蛋白质相互作用40年

2024年11月14日，加州大学旧金山分校Nevan J. Krogan、多伦多大学Jack F. Greenblatt共同通讯在Cell发表综述“Discovery and significance of protein-protein interactions in health and disease”， 讨论了蛋白质-蛋白质相互作用（PPIs）的技术发展和重要生理病理意义。

此论文属于Cell创刊50周年庆之分子生物学特刊

蛋白质-蛋白质相互作用的鉴定在过去40年中不断发展。20世纪80年代开始的蛋白质亲和层析等初步尝试意义重大，如利用λN蛋白寻找其相互作用伙伴等。然而，该方法需要高度纯化的蛋白质，并且在鉴定相互作用蛋白方面面临挑战。抗体和融合蛋白也发挥了作用，如发现与p53和病毒癌蛋白相关的相互作用。但免疫共沉淀在多蛋白研究中的可扩展性较差，且依赖于困难的抗体制备。

图1 评估蛋白质相互作用的著名研究和实验计算方法时间表

20世纪90年代末质谱（MS）的引入，尤其是液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS），彻底改变了PPI的鉴定。与细胞内标记和亲和纯化（AP）相结合，AP-MS方法变得强大，能够在酵母和大肠杆菌等生物中进行全基因组PPI鉴定，从而深入了解染色质生物学和其他分子生物学方面。在后生动物中，AP-MS有助于绘制数千种蛋白质的PPI图谱，揭示信号通路和翻译后修饰（PTM）的作用。然而，AP-MS存在局限性，包括过表达可能产生的假象以及无法捕获不同细胞条件下的所有PPI。

蛋白质共分离与MS（CF-MS）作为一种补充方法出现。CF-MS鉴定了新的蛋白质复合物如小鼠大脑中与肌萎缩侧索硬化症（ALS）相关的复合物。CF-MS适用于研究病原体感染的细胞，并且可以定量比较不同细胞类型或处理。但由于共纯化可能是偶然的，因此需要验证，并且MS在检测所有蛋白质方面存在局限性。

验证PPI至关重要。学界已经开发了诸如免疫沉淀-蛋白质印迹（IP-Westerns）、共振能量转移（RET）、邻近连接测定（PLAs）和邻近标记方法等技术。然而，区分直接和间接相互作用仍然是一个挑战。遗传系统如酵母双杂交（Y2H）系统和分裂蛋白系统已被用于此，但在检测大型复合物中的PPI方面存在局限性。 交联质谱（XL-MS）可以识别相互作用表面和弱PPI， 但在全蛋白质组范围内无标记鉴定交联肽仍是一个活跃的研究领域。

利用野生型和突变型蛋白质进行AP-MS为疾病研究提供了重要见解。 对神经退行性疾病、致癌突变和自闭症谱系障碍（ASD）风险基因的研究显示了差异性PPI。例如，淀粉样前体蛋白（APP）和PIK3CA的突变分别与线粒体功能障碍和相互作用亲和力的改变有关。 这些研究表明，差异PPI图谱有助于确定疾病突变的优先级，从而为治疗靶点提供依据。

理解蛋白质机器和复合物的生物化学解析和功能是关键一步。蛋白质复合物可以多种形式存在，解析它们需要互补的生物化学和结构方法。优先研究那些作为蛋白质机器发挥功能的复合物（通常具有能量驱动的构象变化）有助于理解其功能。冷冻电镜（cryo-EM）技术的进步有望加速这一理解过程。

人工智能和冷冻电镜与AP-MS和CF-MS一起对PPI导向的治疗产生影响。AlphaFold准确的蛋白质结构预测和PPI预测有助于识别直接PPI并确定疾病突变的优先级。这种综合方法可以确定新的药物靶点和治疗策略。人工智能和XL-MS的未来发展可能实现高分辨率、全面的PPI图谱绘制，甚至可能达到单细胞分辨率，将彻底改变我们对PPI及其在健康和疾病中作用的理解。

参考资料：

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