蛋白质相互作用在健康与疾病中的发现与意义

蛋白质作为细胞生命活动的核心功能单位，不仅承担催化化学反应的角色，还通过相互作用（PPIs）形成复杂的蛋白质机器，从而驱动细胞内的多种生物过程。这些相互作用在健康状态下维持细胞功能的正常运转，而在疾病状态下则可能导致功能紊乱。本文基于最新研究，全面解析了PPIs的发现历程、研究技术、以及其在健康与疾病中的关键作用。

一、PPIs的研究历程

PPIs研究的起源：PPIs的研究可以追溯至20世纪70年代，通过蛋白亲和层析和免疫共沉淀技术，人们初步揭示了蛋白质之间的相互作用。尽管这些早期方法提供了重要的生物学见解，但其研究范围受限于技术局限。

技术的迭代与创新：随着技术的进步，PPIs研究逐渐从局部扩展到基因组层面。高通量分析技术（如亲和纯化-质谱，AP-MS）和共分馏质谱（CF-MS）的应用使得我们可以系统性地探究整个细胞的蛋白质网络。此外，人工智能工具如AlphaFold的引入，极大提升了预测蛋白质结构及其相互作用的能力。

二、PPIs研究的核心技术

传统技术：亲和纯化与免疫共沉淀

早期的研究通过亲和纯化技术鉴定出许多关键的蛋白质相互作用。例如，在研究噬菌体蛋白质相互作用时，科学家们通过固定的蛋白配体捕获相互作用蛋白，逐步绘制了初步的相互作用网络。然而，这些方法受限于需要高纯度的目标蛋白和高效的配体固定技术。

高通量技术：AP-MS和CF-MS

• AP-MS：结合了质谱技术的高灵敏性与标签蛋白的精准性，可以系统性地鉴定成百上千个蛋白质相互作用。这一方法的突破在于其能够从天然环境中提取蛋白质相互作用，而不需要过度表达。
• CF-MS：通过分馏柱分离复杂的蛋白混合物，并利用质谱技术分析分馏样本。这种方法特别适用于研究病原体与宿主的相互作用。

人工智能与计算方法

人工智能工具如AlphaFold进一步推动了PPIs的研究，其不仅能够预测单一蛋白质的结构，还能够推断蛋白质复合物的空间构型。例如，研究者通过AlphaFold识别了与DNA代谢相关的新型蛋白复合物，并验证了其在真核细胞DNA复制中的关键作用。

三、PPIs的生物学意义

健康中的PPIs：在正常细胞中，PPIs是维持生命活动的重要机制。例如，染色质重塑复合物和剪接体等大型蛋白机器通过复杂的相互作用网络调控基因表达与RNA加工。这些分子机器的结构和功能研究为揭示细胞内稳态提供了重要线索。

疾病中的PPIs：PPIs在多种疾病的发生和发展中扮演关键角色。例如：

• 神经退行性疾病：特定的突变蛋白（如与阿尔茨海默病相关的APP突变体）可能破坏其与关键分子（如LRPPRC）的相互作用，从而引发线粒体功能障碍。
• 癌症：研究表明，癌症相关的PIK3CA突变体通过增强其与HER3的相互作用，促进了肿瘤的进展。

作为治疗靶点的PPIs：PPIs不仅是疾病研究的重点，也为药物开发提供了新方向。例如，通过药物增强或破坏特定PPIs，科学家们已成功开发出针对癌症和自闭症的候选治疗策略。

四、PPIs研究的未来方向

全基因组PPIs图谱：未来的目标是通过结合CF-MS、XL-MS和AI技术，系统性地绘制高分辨率的PPIs图谱。这不仅能够揭示静态的相互作用网络，还能反映动态变化（如环境应激或药物处理下的相互作用）。

靶向PPIs的精准医学：借助AlphaFold和质谱技术，我们可以识别与疾病相关的关键PPIs，并设计专门针对这些相互作用的分子工具。例如，通过分子胶恢复突变导致的PPIs缺失，或通过PROTACs技术降解致病性蛋白。

单细胞水平的PPIs研究：随着质谱技术的灵敏度提高，单细胞水平的PPIs研究将成为可能。这将揭示不同细胞类型中PPIs的特异性，以及这些特异性如何与细胞功能和疾病相关。

 PPIs的研究历程贯穿了分子生物学的整个发展历史。从早期的亲和纯化技术到如今结合AI的高分辨率蛋白网络研究，这一领域已取得了令人瞩目的进展。通过整合实验技术与计算方法，我们不仅能够更全面地理解蛋白质功能，还能利用PPIs作为疾病治疗的潜在靶点。未来，随着单细胞分析、AI和质谱技术的进一步融合，PPIs研究将迎来更加辉煌的时代。

 

参考文献

Greenblatt, Jack F. et al.Discovery and significance of protein-protein interactions in health and disease. Cell, 2024, 187(23):6501- 6517.