数十年疾病研究浓缩为数天，科技助力医学新突破！

一个人类细胞宽度为十亿分之一米（即一微米），微小无比。但有一种更小的东西对细胞的所有活动产生巨大影响：质子浓度，也就是pH值。在微观层面上，pH依赖性结构调节细胞的运动和分裂。改变的pH值反应可以加速癌症和神经退行性疾病（如阿尔茨海默病和亨廷顿病）的发展。

研究人员希望通过确定蛋白质中的pH敏感结构，来了解蛋白质在正常和病变细胞中如何对pH变化作出反应，最终设计出治疗这些疾病的药物。

现在，圣母大学的研究人员在一项新研究中提出了一种计算方法，可以在几天内扫描数百种蛋白质，筛选出pH敏感的蛋白质结构。

“在拿起移液管或进行单次实验之前，我们就可以预测哪些蛋白质对这些pH变化敏感，哪些蛋白质实际上驱动这些关键过程，如分裂、迁移、癌症发展和神经退行性疾病的发展，”化学与生物化学系的凯瑟琳·怀特克莱尔·布斯·卢斯助理教授说。“再也不用像大海捞针一样费劲了。”

识别pH敏感蛋白质的传统挑战

确定pH变化如何在分子层面上影响驱动行为的蛋白质一直是个挑战，因为研究人员必须逐个费力地测试信号通路中的每种蛋白质的pH敏感性。

例如，细胞迁移的一个关键方面——肌动蛋白细胞骨架重塑，在1993年被证明是pH依赖的。从那时起，该领域的科学家们仅对众多被怀疑参与该过程的pH敏感蛋白进行了表征，仅发现了四种。在生物学中，只有70种细胞质蛋白被确认是pH敏感的。尽管研究人员假设还有许多更多，但在这些蛋白中，只有20种的分子机制是已知的。

新计算管道的工作原理

这项新研究开发并验证了一个模块化的计算管道，这个管道基于现有的结构和实验数据预测pH敏感结构的位置。

耶鲁癌症中心副主任丹尼尔·迪马约表示：“它们的内部pH是细胞的重要特征，但由于测量和操控的困难，这个特征一直被忽视。由于怀特博士开发了一条可行的路径来分析细胞内pH的作用，她的工作为寻找更多响应这一特征的细胞活动提供了动力——我预测会有很多。”

在开发管道的过程中，怀特的研究小组预测并验证了一种被称为Src同源2（SH2）结构域的独特结合模块的pH敏感性，该结构域出现在对细胞信号传导、免疫反应和发育至关重要的蛋白质中，以及经过广泛研究的酶c-Src的pH依赖功能。

首席研究作者、最近获得生物物理学博士学位的帕帕·科比纳·范·迪克解释道：“这些蛋白质在细胞调节中是核心的，而且在某些癌症中也会发生突变。除了表明它们是pH敏感的，我们还发现了pH调节在蛋白质上的确切位置。我们已经成功地将25年的工作浓缩成几周的时间。”

收集数据和建模蛋白质电荷相互作用

研究人员从RCSB蛋白质数据银行获取结构数据，这是一个全球性数据仓库，存储并提供蛋白质、核酸和其他生物大分子的三维结构数据的访问。

该程序随后整合了实验pKa值，这些值估计特定氨基酸——蛋白质的构建块——可能获得或失去质子的pH值。这些值使得程序能够预测蛋白质各个部位的电荷情况，并建模电荷之间的相互作用如何影响蛋白质的形状。在pH敏感性研究中，特别关注的是那些在正常生理pH（约7.2到7.6）的狭窄范围内可能带电的氨基酸。

“我们可以看到这些电荷是怎么相互连接的，”哈珀癌症研究所的教职员工怀特说。“由于相反的电荷相互吸引，而相同的电荷相互排斥，这些电荷的切换模式可能会影响到邻近的电荷。我们关注的氨基酸是那些当电荷翻转到相反电荷时，会导致整个网络电荷翻转的氨基酸。”

揭示别构机制和蛋白质调控

仅仅一个氨基酸的电荷翻转就可能产生很大的影响，例如在新研究中调查的磷酸酶信号蛋白SHP2的案例中。虽然在2005年研究中显示SHP2对pH敏感，但直到现在还没有阐明具体的分子机制。随着质子与两个关键残基的结合，整个593个氨基酸的蛋白质的构象从闭合状态变为开放状态。

“这是一种在生物化学中称为别构作用的机制，”怀特解释道。“别构作用是一种间接效应，发生在蛋白质活性位点之外，但却能调节其活性。它在结构上很难识别，别构机制也很难识别，但我们的研究流程可以做到这一点。”

在研究含有SH2结构域的蛋白质SHP2时，研究团队注意到计算分析标记的两个pH敏感位点位于两个关键结构之间的界面，包括调节性SH2结构域。作为分子桥，SH2结构域促进蛋白质复合物的组装，这些复合物激活细胞的反应，比如生长、分化、生存和免疫激活。

范·迪克说：“找到一个pH敏感的蛋白质真是太令人兴奋了，因为一般来说，识别pH敏感蛋白质是非常困难的。” “但随后我们开始思考，如果这是一种在所有含有SH2结构域的蛋白质中普遍存在的机制呢？”

对癌症和靶向治疗的影响

这个分析工具识别出了一系列SH2信号蛋白，这些蛋白在SH2界面上具有与SHP2相同的pH敏感位点。其中包括c-Src，这是一种在许多人类癌症中活性高于正常水平的研究较多的酶。Src的计算分析标记了四个潜在的pH敏感位点，随后由范·迪克及其同事通过实验确认。

研究人员发现，正常健康的Src在低pH下具有高活性，而在高pH下活性较低。计算分析标记的pH敏感位点上的癌症相关突变使得该蛋白质对pH变化不敏感，消除了Src活性的调节，并导致了侵袭性癌症特征的细胞增殖失控。

但现在，怀特和同事们已经绘制并验证了Src中pH调节的确切分子机制，为开发能够模仿关键别构位点并恢复正常pH敏感性的靶向药物铺平了道路。

“这是我们理解人类生物学面临的一个重大挑战：如果你能理解分子机制，那么你就可以针对它，对其进行干预，并减少这些突变对患者的负面影响，”怀特说。

在Src和SHP2的情况下，这种药物只会选择性地针对突变蛋白，而不影响正常蛋白，从而在患者的健康细胞中保持活性。这种靶向治疗的好处不仅仅局限于癌症，还可以应用于更广泛的疾病生物学。

“除了癌症和神经退行性疾病，pH动态变化还与糖尿病、自身免疫疾病和创伤性脑损伤相关，”怀特说。“我们的研究管道是理解这些疾病并最终设计治疗方案的强大工具，有潜力改变这一领域。”