磷酸吡哆醛用于细胞培

大家好，本周为大家介绍一篇本课题组发表在ACS Chem. Biol.上的文章，Insights into Phosphorylation-Induced Protein Allostery and Conformational Dynamics of Glycogen Phosphorylase via Integrative Structural Mass Spectrometry and In Silico Modeling1。变构调节在自然界中广泛存在，可以用于调控细胞过程。糖原磷酸化酶（GP）是第一个被鉴定出的与变构调节相关的磷酸化蛋白。GP是一个分子量约196kD的同源二聚体蛋白，是糖代谢中重要的组分，也是2型糖尿病及癌症的靶点。AMP结合以及Ser14的磷酸化介导了GP的变构调节，使其构象从非活化的T-state GPb（未磷酸化状态）转变为活化的R-state GPa（磷酸化状态）。即使目前X-射线晶体学法解析出了GP的原子级蛋白结构，但受限于较大分子量，其结构动态性的检测较为困难，因此与GP变构调节相关的结构动态变化过程仍较为模糊。核磁共振（NMR）谱及分子动力学（MD）模拟等是探究蛋白质结构动态性的常用方法，但NMR分析存在分子量上限，且样品消耗量大，MD模拟的时间尺度和力场准确度有限。质谱（MS）法具有快速、灵敏的特点，是蛋白质结构、动态性以及构象变化分析中强有力的一款技术。氢氘交换质谱（HDX-MS）通过监测蛋白骨架酰胺氢原子与溶液中氘的交换来反映蛋白质构象动态性，因此适用于探究由配体、蛋白结合或共价修饰引起的蛋白质构象变化。同时，多个软件实现了由HDX-MS数据计算保护因子（PFs）和吉布斯自由能，从而提取残基水平的蛋白动态性信息。此外，在先前的工作中2, 3，我们整合了native MS和top-down方法（native top-down，nTD-MS技术），成功实现了多个蛋白复合物的一级序列到高阶结构等多方面信息的检测（包括测序、翻译后修饰、配体结合、结构稳定性、朝向等）。整合多种结构质谱法（整合结构质谱法）可以有效填补传统生物物理法中结构到动态性联系中的空缺，更好地表征变构调控现象。本文整合了HDX-MS、nTD-MS、PF分析、MD模拟以及变构信号分析检测了磷酸化介导的GP变构调控的结构和动态性基础，为GP的变构调控过程提供了见解。根据X-射线晶体学结构报道（图1a），T-state GPb转变为R-state GPa时，二聚体界面中N-末端尾部、α2、cap’（图1b）以及tower-tower helices区（图1c）发生了明显的结构重排，导致催化位点开放，从而底物磷酸吡哆醛（PLP）可以结合。尽管有晶体学报道，但与变构调控关联的构象动态性仍有待探寻。图1.（a）磷酸化介导T-state GPb（PDB：8GPB）向R-state GPa（PDB：1GPA）的构象转变；亚基相互作用界面：（b）C端区域和（c）tower-tower helices，GPb为蓝色，GPa为绿色。首先我们通过nTD-MS进行了检测。如图2a、b，谱图中观察到了GPb的单体和二聚体信号，其中二聚体为主要形式；GPa除了单体和二聚体外，谱图中还存在少量四聚体，但仍以二聚体为主要形式。当增加sampling cone（SC）电压时，GPb、GPa保留了其二聚体形式（图2c、d）。随后我们选择离子（29+）并在trap池中进行了碎裂（图2e、f、g、h），谱图低质荷比区GPa的碎片相对峰强度较GPb高，说明GP的二聚体互作界面较为稳定，且GPb亚基结构较GPa稳定。nTD-MS不仅能够探究GPb、GPa的结构差异，也能够为接下来的HDX-MS实验做好前期样品质量检查工作。图2.不同活化条件下GPb、GPa的nTD-MS谱图。（a、b）SC=40V；（c、d）SC=150V；（e、f）SC=150V、trap=100eV；（g，h）SC=150V、trap=200eV。左侧为GPb，右侧为GPa。随后我们进行了HDX-MS实验。图3a中展示了五个时间点的HDX heat map。图3b为通过PyHDX软件计算产生的PF值。其中N-端（1-22）以及tower helix前的loop区域（256-261）的氘代值较高、PF值较低，说明这些区域较为柔性或是结构较为无序。此外我们发现，tower-tower helices（262-276）区域的氘代值较低、PF值较高，表明helices的旋转可能是由前端可塑性铰链区触发的，而非helices本身的变形和重塑引起的，这些发现在晶体结构数据中均有吻合之处。除这两个区域外，GPa和GPb基本保持了稳定的整体结构。而从1μs原子级MD模拟计算得到的均方根波动（RMSF）和溶剂可及表面（SASA）中我们也发现（图3c），这两个区域数据与HDX-MS信息有所吻合，但MD模拟中部分区域未和HDX-MS相吻合的区域可能跟序列覆盖不足相关。图3. （a、d）GPb和GPa在不同标记时间下的氘代热图并映射到结构中（PDB: 1GPA）。（b、e）基于HDX-MS数据计算得到的PF值并映射到晶体结构中。（c、f）MD模拟中RMSF和SASA值并映射到结构中。从氘代差异图（图4a）中可以看出，4个区域呈氘代降低趋势（红色方框），多个区域呈氘代上升趋势（蓝色方框）（GPa-GPb）。而PF差的变化趋势与氘代变化趋势基本一致（图4b）。由数据可知，N-端和tower-tower helices的变化说明磷酸化介导的变构稳定了这两个区域，α1-cap-α2区域的动态性轻微下降。除此之外多个区域（尤其是tower-tower helices序列后的区域）均表现为PF值下降，说明相比于GPb，GPa催化位点附近的区域动态性增强了。接下来我们根据HDX kinetic plot特征将其进行了分类，并详细讨论了所属区域的变化。图4.（a）GPa-GPb HDX-MS的氘代差异图。（b）GPb到GPa PF的变化。 首先是N-端和C-端的变化（图5）。N-端残基1-22表现氘代下降，这说明N-端具有一定可塑性。受N-端区域磷酸化和结构变化影响，C-端区域也产生了一定的变化。此外，残基30-50（cap区）和残基111-117（α4back-loop）区表现氘代下降，而103-109（α4front）表现氘代上升。根据晶体结构推测，cap区和α4back-loop的氘代变化受N-末端变化影响，原有的残基相互作用被打破，形成新的残基间相互作用，同时这两个区域也经历了结构重排，因此表现出较明显的氘代变化。残基88-99（β2-α3）和残基125-141（β3-L-α6）氘代上升。总的来说，磷酸化使得cap′/α2界面互作增强了，同时磷酸化基团和精氨酸残基的静电相互作用是cap区产生变化的主要原因，而α1和α2起到锚定作用，其相对位置基本保持不变。图5.GPb（a）和GPa（b）的N-端和C-端区域的局部结构和HDX动力学曲线（c）。 此外，tower-tower helices（α7，残基262-278）区的变化同样值得关注（图6）。250s loop是表面暴露区域，未与其他区域发生接触，其氘代下降可能是因为自身结构的收缩。而肽段262-267和268-274氘代下降提示该区域可能发生了低周转率或强互作的结合反应。280s loop区氘代值上升。这些变化均说明，tower-tower helix的角度的改变不仅影响了二聚体界面结构，而且还影响了其靠近催化位点的周围区域。因此我们结合晶体结构推测，磷酸化和N-端相对位置的改变，使250s loop自身结构收缩，从而打破了Tyr262' -Pro281和Tyr262-Tyr280′之间的相互作用，导致两个亚基的tower helices发生相对滑动，倾斜角度增加。图6.GPb（a）和GPa（b）tower helix区域的局部结构和HDX动力学曲线（c）。 最后是催化位点、PLP结合位点和糖原存储位点的变化情况（图7）。催化位点周围多数区域均表现氘代上升趋势。我们推测，随着Pro281、Ile165和Asn133间的相互作用被打破，Arg569与Ile165、Pro281、Asn133间的互作也随之打破，因此催化位点和PLP结合位点周围的残基溶剂可及性上升，局部区域结构变得更为灵活，催化位点开放并转变为活化构象。糖原储存位点位于GP表面，距离催化位点30Å，除了α23（残基699−708）外，HDX-MS在糖原存储区没有观察到明显的变化。图7.GPb（a）和GPa（b）的催化位点和PLP（橙色）结合位点的局部结构和HDX动力学曲线（c）。结合以上所有数据，我们对磷酸化调节的动态机制进行了推测（流程图1）。磷酸化后，N-端尾部残基与acidic patch的互作被打破，也导致N-端尾部的有序化以及C-端尾部的无序化以及伴随的其他结构变化。通过在pSer14和Arg69和Arg43′之间形成新的盐桥，N-端残基被重定位，随之带来的是Asp838和His36′间的盐桥断裂。随着三级和四级结构的转变，250s loop收缩并发挥类似“门环”的作用，当其收缩时，Tyr262′-Pro281与Tyr262-Tyr280′之间的相互作用、276-279区与162-164区之间的氢键也被打破，导致tower helix发生相对滑动，tower-tower helices之间的作用被打破，同时将结构变化传递到催化位点。最后，280s loop和催化位点以及PLP结合位点附近的残基松动，通往催化位点和底物磷酸盐识别位点的通道打开，酶得以活化。流程图1.GP变构调节过程中，被打破（蓝色）或新形成的（红色）关键残基相互作用。 本文整合nTD-MS、HDX-MS、PF分析和MD模拟检测了GP磷酸化变构调节过程的结构和动态基础，通过该整合结构手段揭示了GP构象柔性、局部动态性以及长程变构调控构象变化中值得关注的信息。各个方法具有各自的优势，但也在一定层面存在局限，我们期待将HDX-MS信息与计算模拟信息进行更深度的整合以实现二者对蛋白质结构更精确的分析。撰稿：罗宇翔编辑：李惠琳原文：Insights into Phosphorylation-Induced Protein Allostery and Conformational Dynamics of Glycogen Phosphorylase via Integrative Structural Mass Spectrometry and In Silico Modeling李惠琳课题组网址：https://www.x-mol.com/groups/li_huilin参考文献1. Huang, J. Chu, X. Luo, Y. Wang, Y. Zhang, Y. Zhang, Y. Li, H., Insights into Phosphorylation-Induced Protein Allostery and Conformational Dynamics ofGlycogen Phosphorylase via Integrative Structural Mass Spectrometry and In Silico Modeling. ACS Chem. Biol. 2022.2. Li, H. Nguyen, H. H. Ogorzalek Loo, R. R. Campuzano, I. D. G. Loo, J. A., An integrated native mass spectrometry and top-down proteomics method that connects sequence to structure and function of macromolecular complexes. Nat. Chem. 2018, 10 (2), 139-148.3. Li, H. Wongkongkathep, P. Van Orden, S. L. Ogorzalek Loo, R. R. Loo, J. A., Revealing ligand binding sites and quantifying subunit variants of noncovalent protein complexes in a single native top-down FTICR MS experiment. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2014, 25 (12), 2060-8.

（一）文献解析英国利兹大学医学和健康学院，利兹心血管和代谢医学研究所开发了一种新的动态多细胞共培养系统，用于研究脑疾病中的个体血脑屏障细胞类型和细胞毒性测试。作者详细讨论了血脑屏障（BBB）多细胞共培养系统的开发和优化过程，以及其在研究BBB功能障碍和神经退行性疾病中的潜在应用。1. 研究背景：血脑屏障（BBB）在中枢神经系统（CNS）的生理和病理过程中扮演关键角色。BBB功能障碍与许多神经退行性疾病，包括阿尔茨海默病（AD），有关联。1. BBB的组成：BBB由毛细血管内皮细胞、包围内皮的周细胞以及向其延伸的星形胶质细胞组成。1. 研究目的：开发一种体外多细胞共培养模型，用于研究BBB中各个细胞类型在神经毒性中的具体作用，特别是在没有形成屏障的情况下评估每种细胞类型对整体反应的贡献。1. 实验仪器设备：研究者使用了英国Kirkstall Quasi Vivo培养系统，并成功开发了一种体外多细胞共培养模型，该系统允许在流动条件下培养不同类型的细胞，同时共享相同的培养基。1. 实验设计：研究者优化了人类大脑内皮细胞、周细胞和星形胶质细胞的培养条件，包括改进的培养基、适当的支架系统和最佳流速。1. 细胞表型鉴定：通过免疫细胞化学方法确认了人类星形胶质细胞、周细胞和内皮细胞的表型。1. 多细胞共培养系统：研究者建立了一个多细胞共培养系统，通过不同组合的细胞培养来确定共培养的重要性以及改进的培养基和流动对细胞活性的影响。1. Aβ25-35的影响：作为概念验证，研究者探索了Aβ25-35（AD的一个标志物）对BBB各个细胞类型的影响。1. 实验结果：发现Aβ25-35对周细胞有负面影响，降低了其活性，而对内皮细胞和星形胶质细胞在早期毒性阶段没有显著影响。1. 结论：这种多细胞共培养系统可以成为未来研究CNS疾病中特定BBB细胞类型角色以及细胞毒性测试的有价值的工具。（二）成功开展多细胞共培养实验的心得1. 选择合适的细胞类型：基于研究目的，选择具有高度特异性和代表性的细胞类型。1. 优化培养基：开发或选择适合所有共培养细胞类型的培养基，可能需要结合不同细胞类型的条件培养基。1. 控制培养条件：使用恒温培养箱和CO2控制系统来维持最佳的生长环境。1. 优化接种技术：使用适当的技术（如滴涂或悬浮接种）来确保细胞均匀分布。1. 定期更换培养基：定期更换新鲜培养基，以提供必要的营养并去除代谢废物。1. 使用支架材料：选择合适的支架材料来支持细胞附着和生长。1. 动态培养系统：使用如英国Kirkstall Quasi Vivo System这样的动态培养系统来模拟体内流动条件。1. 监测细胞间通讯：使用分子标记和示踪技术来评估细胞间的相互作用和信号传递。1. 标准化实验操作：确保所有实验步骤的一致性，包括细胞培养、操作和数据处理。1. 使用先进的成像和分析技术：利用共聚焦显微镜、流式细胞仪等技术来收集数据，并使用专业的软件进行分析。通过上述解决方案，研究者可以克服多细胞共培养实验中的技术挑战，从而更有效地模拟和研究复杂的生物学过程。参考文献：Patricia Miranda-Azpiazu, Stavros Panagiotou, Gin Jose & Sikha Saha. A novel dynamic multicellular co-culture system for studying individual blood-brain barrier cell types in brain diseases and cytotoxicity testing附： Kirkstall Quasi Vivo® 仿生动态多细胞共培养系统——产品介绍01仪器设备的功能用途 又称为微流体“芯片上器官”系统，具有相互连接的细胞培养单元，为类器官生长提供更具生理相关性的体内微环境。通过提供一种近生理的体外模型，模拟细胞微环境，具有更完整的结构和功能，解决动物与人类之间的种属差异，且可在体外模拟多种器官特异性疾病状态，反映药物在体内的动态变化规律和人体器官对药物刺激的真实响应，捕捉复杂的生理学反应，并满足高通量的要求。它是一个多室流动系统，为类器官培养提供了一个紧凑、易于使用的解决方案，包括2D、3D、屏障，或多器官。在疾病模型，药物筛选和毒性测试，再生医学和组织工程，发育生物学研究，感染与免疫研究，个性化医学，癌症研究等领域被广泛应用。兼容多种细胞来源，包括原代细胞、诱导多能干细胞（iPSC）、类器官和细胞系等，也可以引入健康细胞、患病细胞、肿瘤细胞。02性能特点Quasi Vivo® 作为一种先进的类器官芯片培养系统，专门设计用于解决学术和工业研究人员在开展体外和体内研究时遇到的主要问题，具有下列性能优势：1.功能延展性强可选择气液界面、液液界面、支架和流动方案的多样化培养方式；允许独立、可控的空气、气体或液体层流流向顶端和基底外侧；满足多器官/多细胞共培养，细胞间的信号传递等实验要求。加速类器官细胞分化和成熟，提高细胞活力，适合长期培养。2.成像友好配备了光学窗口在顶部或底部表面，便于理想的实时高分辨率成像。3.易于获取样本直接收集样本和获取组织或液体样本。4.模拟生物力学和浓度梯度 严格控制多个变量，可以模拟生理特征，如血液循环，组织间液流动态等，为细胞提供生物力学信号；可以实现免疫细胞共培养以及血管化等复杂疾病模型构建；用于研究多种生理过程，如细胞迁移、分化、免疫反应以及癌症的转移等。5.便携和易于操作紧凑型模块化腔室结构，具有更高人体生理相关性；占地面积小，节省空间，可兼容标准实验室的孵化器。03品牌制造商简介Kirkstall Ltd.成立于2006年，是Braveheart Investment Group plc 的子公司，总部位于英国约克。Kirkstall开发了一种创新的微生理系统的器官芯片模型Quasi Vivo® 。作为器官芯片技术的领导者，Kirkstall已经建立了牛津大学生物医学工程研究所等著名的大学实验室的庞大用户群，产品在全球范围内享有盛誉。北京基尔比生物科技有限公司是Kirkstall ltd.授权在中国的唯一和独家总代理商，全面负责Kirkstall公司旗下所有产品在中国的销售，市场推广和技术支持等事宜。

科学家们运用德国Nanoscribe的Photonic Professional系列3D打印系统，在复杂的3D打印支架上设计定制化的神经元网络。这新型的细胞培养微体系结构可以按定制的3D路径引导单个神经元突起和神经元细胞附着。这项研究为未来在探索细胞行为，信息传递和控制整个网络活动方面量身定制更复杂的3D神经元网络奠定了基础。使用Nanoscribe的3D打印系统，德国汉堡大学混合纳米结构中心的科学家们联合德国汉堡大学分子神经中心-汉堡艾本多夫医学中心以及格里夫斯瓦尔德大学物理研究所，一起研发了由管道相连接的多组柱状体3D复杂微结构支架。这款支架是用Nanoscribe自行研发的IP-Dip光刻胶进行3D打印，由多组高度不同且顶部镂空的柱状体和独立的通道相连接组成。由Nanoscribe的3D打印设备制作的神经元细胞培养微结构，用于详细研究神经元网络。图片来自于Cornelius Fendler, Research Group Blick, Center for Hybrid Nanostructures, Universit?t Hamburg相连接的神经元网络可帮助科学家更好了解大脑的功能。例如，大脑处理信息的容量，学习过程中所产生的神经元新连接及发展和病变神经元的活动等等。因此，低密度体外神经元细胞培养对于研究细胞层面神经元是非常有价值的。但是，二维体外神经元培养达不到模拟神经系统中所能观察到的独有的三维连接和极其复杂的信号处理。然而随着3D微加工技术的发展和进步，科学家们已经能实现通过新型研发的细胞培养支架，从三位角度来引导神经元细胞的生长和信号处理。Nanoscribe3D微加工技术具有极高的设计自由度，因此在任意空间方向上都可自由设计柱状体和微通道。这也是微通道可充当定制化3D路径引导神经元细胞突起的原理。这定制化3D复杂微结构的概念使神经元网络的体外研究有望得到实现。科学家们为了促进神经元细胞黏附力和活力，利用氧化铝和派瑞林C涂层的3D微观结构来培养原代大鼠小脑颗粒神经元。该几何结构可进行拓扑诱导，而多聚赖氨酸的选择性沉淀可进行化学诱导。在这一系列作用下而产生的定制路径用来进行神经元网络体外细胞培养，以促进神经元细胞突起生长。3D打印细胞培养微支架内部特写图3D微加工用于复杂生物兼容性支架使用Nanoscribe的3D微加工技术并配合其新型研发的IP-Visio光刻胶，可以打印极其复杂的3D微支架，来进行用于细胞研究的微环境仿真模拟实验。IP-Visio是一款新型光刻胶，具有无生物毒性的特点，适合生命科学领域应用。此外，此款光刻胶还具有低自发荧光的特点，可以在不干扰打印结构的前提下通过荧光显微镜分析观察细胞。更多有关微纳3D打印产品和技术咨询，欢迎联系Nanoscribe中国分公司 - 纳糯三维科技（上海）有限公司德国Nanoscribe 超高精度微纳3D打印系统： Photonic Professional GT2 双光子微纳3D打印设备 Quantum X 灰度光刻微纳打印设备可应用于微光学，微型机械，生物医学工程，力学超材料，MEMS，微流体等不同领域。