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科學家發明了分子定向進化的快速方法

文章作者:www.utbltn.icu發布時間:2019-12-17瀏覽次數:595

北卡羅來納州CHAPEL HILL - 北卡羅來納大學醫學院的科學家們為許多疾病的科學工具和新療法的快速發展創造了一種強大的新“定向進化”技術。

科學家們報告了他們在Cell中取得的突破,它在幾天內完成任務后,進化出幾種蛋白質來執行精確的新任務。現有的定向進化方法更費力且耗時,并且通常應用于細菌細胞,這限制了該技術用于人類細胞的蛋白質進化的有用性。

定向進化本質上是一個人為的,加速的進化過程。我們的想法是將進化過程集中在單個DNA序列上以執行特定任務。原則上,定向進化可用于制備有效抑制疾病的新療法,幾乎沒有或沒有副作用。最初開創性的定向進化科學研究獲得了2018年諾貝爾化學獎。

“我們開發了最強大的哺乳動物細胞定向進化系統,”該研究的第一作者,北卡羅來納大學醫學院藥理學系博士后研究員Justin English博士說。

“科學界長期以來一直需要這樣的工具,”北卡羅來納大學醫學院藥理學系高級研究員,醫學博士和杰出教授Michael Hooker說。 “我們相信,我們的技術將加速研究,最終為患有多種疾病的人提供更好的治療,我們需要更好的治療方法。”

定向進化的廣義概念并不新鮮。幾個世紀以來,研究人員一直在應用它來選擇和培育具有所需特征的植物和動物品種,例如具有較大果實的作物品種。近幾十年來,生物學家也在實驗室中使用分子水平定向進化,例如,通過隨機突變基因直到出現具有所需特性的變體。然而,一般而言,生物分子的定向進化難以使用并且在其應用中受到限制。

Ross,England及其同事開發的新方法相對快速,簡單且通用。它使用辛德畢斯病毒作為待修飾基因的載體。具有遺傳物質的病毒可以感染培養皿中的細胞并且非常快速地突變。研究人員設定的條件是,唯一能夠繁殖的突變基因是編碼在細胞中發揮所需功能的蛋白質的能力,例如激活受體或轉化某些基因。因為該系統在哺乳動物細胞中起作用,所以它可以用于進化新的人類,小鼠或其他哺乳動物蛋白質,這些蛋白質使用傳統的基于細菌細胞的方法是麻煩或不可能生產的。

英國和他的同事稱新系統“VEGAS”用于驅動序列的病毒的進化。在最初的演示中,羅斯的實驗室修改了一種叫做四環素反式激活因子(tTA)的蛋白質,它可以作為激活基因的開關,是生物實驗中使用的標準工具。如果您遇到抗生素四環素或密切相關的強力霉素,tTA通常會停止工作,但研究人員已經進化出一個包含22個突變的新版本,即使含有非常高水平的強力霉素,tTA也能繼續發揮作用。這個過程只用了七天。

“為了了解效率,需要花費四個月的時間來考慮先前報道的四環素反式激活因子的哺乳動物定向進化方法,以產生兩種對多西環素生成僅部分不敏感的突變,”英國人說。

科學家隨后將VEGAS應用于一種稱為G蛋白偶聯受體(GPCR)的常見細胞受體。人體細胞上有數百種不同的GPCR,其中許多是各種疾病的現代醫學的目標。具體而言,當GPCR從非活動狀態切換到活動狀態時,如何改變形狀對于嘗試創建更精確治療的研究人員來說非常有意義。英國及其同事使用VEGAS快速更換名為MRGPRX2的小型GPCR以使其保持活躍狀態。

“鑒定在這種快速進化過程中發生的突變有助于我們首先了解受體蛋白的關鍵區域是否參與向活躍狀態的轉變,”英語說。

在最后的演示中,該團隊證明了VEGAS更有可能更直接地指導藥物開發。他們使用VEGAS快速進化稱為納米體的小生物分子,這些生物分子激活不同的GPCR - 包括血清素和多巴胺受體,這些受體存在于腦細胞中,是許多精神病藥物的靶標。

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