应用笔记 - 磁共振

NMR波谱在蛋白质和核酸研究中的应用

2003年第一个完整的人类基因组的发布标志着生物学研究的一个里程碑,在各种替代能源和个性化医学等领域具有巨大的潜力。

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2003年第一个完整的人类基因组的发布标志着生物学研究的一个里程碑,在各种替代能源和个性化医学等领域具有巨大的潜力。认为微小缠结氨基酸或核酸是控制甚至完全消除癌症、使人衰弱的神经肌肉疾病或HIV等毁灭性疾病的关键,确实十分惊人。

事实上,人类基因组计划的成功仅仅是第一步。要想做到让每个人都得到定制疫苗或基因疗法,还有很长的路要走。知道那儿有什么,并不等同于了解个体间是如何相互作用的,或在不同环境中或不同刺激下它们会如何作用。

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搞清楚基因怎样、何时以及为什么如此表达,所生成的蛋白质在人体中如何单独和共同作用,是充分发挥用户手册巨大潜力的关键,这关系到我们的DNA与转录它的分子以及它所编码的蛋白质所进行的互相呼应。

核磁共振(NMR)波谱是结构生物学家工具箱中的一个重要工具。它是用于描述蛋白质数据库中列出的十万多种蛋白质、核酸,以及蛋白质或核酸复合物的第二种最常用的实验方法。由于结构与功能有关,这种研究可以揭示各种疾病以及正常过程。

例如,研究人员最近结合使用魔角旋转(MAS)固态NMR波谱与综合多相探针和1H/1H射频驱动偶极重耦,以解析形成表征老年痴呆症斑块的淀粉样β蛋白的低聚物光谱。NMR波谱法也可以解析大分子;采用选择性核苷酸标记等多种增强功能,研究人员用二维NMR波谱从火球菌属嗜极菌测定RNA结构。

但是NMR波谱可以用来确定蛋白质或核酸的结构。它也被用来解释工作中的分子;研究人员已用时间分辨31P MAS NMR波谱检测大肠杆菌ATP水解的生物过程。

NMR波谱在蛋白质和核酸研究中的其它应用实例包括:

  • 确定膜蛋白的结构和功能——主要的药物靶标——从1918型流感病毒到最新的耐药结核菌株
  • 确定抑制HIV病毒发展的可能方法
  • 利用NMR波谱来抑制癌细胞
  • 使用19F NMR光谱法研究各种蛋白质之间相互作用所涉及的配体

电子顺磁共振(EPR)波谱在蛋白质和核酸研究中也有应用。例如,研究人员利用EPR波谱结合自旋标记来研究蛋白质之间以及蛋白质与寡核苷酸之间的相互作用。

NMR如何使分子成为焦点

由于既能分析固态试样又能分析溶液中的试样,NMR波谱对蛋白质和核酸研究做出了重大贡献,而事实上,结晶对于成功的结构测定是不必要的,因为蛋白质结构可以在体内测定。

然而,NMR发挥最大效用的日子还在前面呢。利用一切事物的标记,从原子到核苷酸再到电子自旋,结合各种NMR技术,可以揭示大量关于蛋白质和核酸的信息,包括其结构、动力学特性和相互作用。

另一项令人兴奋的创新是关于过程和协议的开发,以实现NMR数据在结构分析中的应用的简化和自动化,从而完成高通量的蛋白质结构测定(参见eMagRes和Proc Natl Acad Sci.有关文章)。此外,NMR波谱正被用来通过验证模拟分子动力学以帮助加速生物信息学研究的发展。从分子生物学的基础研究到将其转化为未来的疗法,NMR技术为沿途的每一步提供了必不可少的发现工具。