蛋白质组学

基于极性与非极性氨基酸的“二元组图” 进行蛋白质设计

1. 引言

众多研究结果表明,天然蛋白质结构对于氨基酸的替换具有非常显著的“耐受性”。因此很多不同的氨基酸序列可以编码产生给定的三维结构 [ 1~7 ] 。 

我们利用这一 “耐受性”来发展蛋白质设计的总体策略。这一称为 “二元码”的策略是基于极性与非极性氨基酸适当的组合能指导多肽链折叠成相应的二级结构元素,同时使得包埋的非极性氨基酸形成所需的三级结构 [ 8~10] 。设计的 “二元组图” 利用了蛋白质二级结构中天然具备的周期性:α 螺旋具有每圈 3.6 个残基的重复周期性,而 β 股(β-strand ) 具有交替周期性(图 9.1)。因此,设计为双亲性 α 螺旋的二元组图序列应该在第三或第四位放上非极性氨基酸。相对应,设计一个双亲性 β 股应该在序列中交替安插极性和非极性氨基酸残基。在 “二元码” 策略中,蛋白质侧链的精确三维堆积并不需要预先确定。因此,在一个二元组图序列库中,每一个极性和非极性残基的侧链可以变化得非常剧烈,从而产生巨大的组合多样性。

二元组图蛋白质的组合库是由合成基因的组合库表达出来的。每个基因编码一个不同的氨基酸序列,但是在同一个给定组合库中的所有序列具有同样的极性和非极性残基图形。遗传代码(图 9.2 ) 的组成分布使得这种序列简并性成为可能。简并密码 NTN 编码非极性氨基酸残基,而简并密码 NAN 编码极性氨基酸残基(N 表示 A、G、 T、C 的混合物;见 9.2.2 节中相关密码子的利用)。利用这些简并密码子,非极性位 置上的氨基酸可以是苯丙氨酸(Phe)、亮氨酸(Len)、异亮氨酸(lie )、甲硫氨酸 (Met) 或者缬氨酸(Val);而极性位置的氨基酸则是谷氨酸(Glu)、谷氨酰胺 (Gin)、天冬氨酸(Asp)、天冬酰胺(Asn)、赖氨酸(Lys) 或者组氨酸(His)。

本章概述了应用二元组图设计新型蛋白质库的方法。利用我们实验室的具体实例,主要集中在设计全 α 螺旋蛋白质和全 β 片层蛋白质上。对于设计蛋白质组合库的综述,参见参考文献 [11]、[12]。

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