东方时讯网细节往往是魔鬼。在蛋白质的细节中有魔鬼和天使，这些蛋白质协调生命的分子业务，直至蛋白质的组成原子。正是在结构细节的层次上，健康与疾病，甚至生与死的平衡才能发生变化。
正如冷冻电子显微镜所揭示的那样，巨大的蛋白质巨蛋白(LRP2)会改变形状。图片来源：A.Fitzpatrick、A.Beenken、L.Shapiro/哥伦比亚祖克曼研究所
哥伦比亚大学肾脏病学家和神经科学家的合作成果在线发表在《细胞》杂志上，展示了非同寻常的联盟所带来的价值。
他们和其他地方的同事首次揭示了一种生死攸关的蛋白质的肖像，其清晰度足以最终揭示它是如何工作的：作为分子乘客的微型渡轮，它必须穿过组织和器官中近万亿个细胞膜，范围从肾脏和大脑到内耳和肺泡。
“随着对这种关键蛋白质的新机制的理解，以及它的突变如何将其关闭，我们希望后续研究能够发现治疗肾脏和脑部疾病的新靶点，”专家、医学博士JonathanBarasch说。哥伦比亚大学Vagelos内科和外科医生学院泌尿外科和肾脏科的临床医生，也是该论文的通讯作者。
“这些新的治疗开口是由于我的哥伦比亚大学同事安德鲁·本肯、安东尼·菲茨帕特里克和拉里·夏皮罗发现的惊人蛋白质结构。”
Barasch博士和他的合著者设想，新的高分辨率蛋白质结构将指向治疗疾病的治疗线索，如急性肾损伤(在美国每年影响超过400万患者)、慢性肾病(影响约800全球100万人)和阿尔茨海默病(全球估计影响3200万人)，以及像Donnai-Barrow综合症(影响不到1000名美国人)一样罕见，这是一种具有多种身体和认知后果的遗传疾病。
这种蛋白质被称为LRP2，是LRP蛋白质家族的一员，存在于从蠕虫到人类的各种生物中。与细胞膜上的大多数蛋白质相比，LRP非常庞大，以至于在1980年代初期发现LRP2的科学家MarilynFarquhar和DontschoKerjaschki将其命名为megalin。一些LRP由超过4,600种氨基酸构成，这些氨基酸是所有蛋白质的分子组成部分。
在肾细胞中，LRP2对于从体液中过滤后的代谢废物中回收可重复使用的分子至关重要，这样身体就不必花费能量和资源来再次制造它们。对于这些细胞中的每一个，可能有数以万计的LRP2蛋白，它们像草莓种子一样分布在表面。
“肾脏面临着回收通过器官过滤器的99%的身体盐分和水分，以及回收100%的小蛋白质，否则这些蛋白质会排入尿液并排出体外，”Barasch博士说。“对于这种复苏的运作方式，人们一直有一般的想法，但它的特殊性现在已经得到解决。”
这就是Barasch博士的同事进来的地方。其中一位是医学博士、博士、哥伦比亚大学的生物化学家和肾脏病学家，也是该论文的第一作者AndrewBeenken。像LRP家族中的那些膜蛋白是出了名的难以分离，更不用说详细绘制了。Beenken博士通过一个艰巨的过程，在这个僵局中迈出了一大步，他在这个过程中运用了一系列生化技术。
“当我第一次听说乔纳森和安德鲁打算做什么时，我认为这是不可能的，”共同通讯作者劳伦斯夏皮罗博士说，他是祖克曼研究所的首席研究员，也是生物化学和分子生物物理学教授在哥伦比亚的Vagelos内科和外科医生学院。Shapiro博士在梳理蛋白质的复杂结构如何产生其生物学功能方面的专业知识将被证明对破译LRP2的运送机制至关重要。
Beenken博士结合了一流的技能、创造力和决心，从500个小鼠肾脏中收获了足够的LRP2蛋白，将蛋白质固化成足够大小和纯度的样本，以便用先进的显微镜技术进行分析。在收集LRP2分子的过程中，Beenken博士完成了一项生化杰作：捕获锁定在其两个关键构象中的LRP2蛋白质，这是揭示蛋白质在细胞中类似机器的作用的一项重要实验室壮举。
这是第二个巨大的研究步骤出现的地方，该研究由共同通讯作者AnthonyFitzpatrick博士领导，他是低温电子显微镜领域的领导者，特别适合研究大型蛋白质和其他生物分子。
Fitzpatrick博士和Beenken博士使用两层楼的液氮冷却低温电子显微镜，使用Beenken博士来之不易的LRP2样本收集了大量结构数据。然后，通过巧妙地使用强大的计算工具来理解数据，研究人员生成了接近原子细节的3D蛋白质结构。
“我们现在拥有有史以来最好的LRP2蛋白质3D图，”Zuckerman研究所首席研究员、哥伦比亚瓦格洛斯内外科医学院生物化学和分子生物物理学助理教授Fitzpatrick博士说。有了这些图谱，Shapiro博士就可以开始梳理LRP2在细胞中发挥作用的非凡机制。
当LRP2驻留在细胞膜上和细胞膜内时，其中一种映射出的构象会捕获LRP2的形状。这就是蛋白质从细胞外的液体中吸收分子乘客的地方——无论是从肾脏产生的尿液还是脑细胞周围的液体。在这些乘客中有小蛋白质，包括tau和淀粉样蛋白-β(均与阿尔茨海默病有关)、胰岛素和在细胞周围穿梭维生素A和D的蛋白质。
另一种LRP2构象是蛋白质在被包裹在一点细胞膜中并运送到细胞内的位置后快速进入的构象。正是在这些小胶囊、内体中，变形蛋白可以使其分子乘客完整地回收以供进一步使用，或者被解构为可重复使用或一次性的组件。
从这对LRP2结构中，该团队能够确定该蛋白质在其乘客登机形式和乘客下机形式之间经历了类似机器的切换。当LRP2蛋白无突变时，它们可以成功地维持血液和脑组织中的分子平衡。但是，当LRP巨大的分子结构发生微小的变化时，这些蛋白质就会导致疾病。
一方面，在肾细胞中，有缺陷的LRP2蛋白违背了它们正常的任务，即检索原本会在尿液中丢失的蛋白质。这可能导致多种疾病，包括慢性肾病、Donnai-Barrow综合征和在新生儿阶段致命的疾病。
在大脑中，LRP2(以及相关的LRP1)通常有助于清除多种毒素，其中包括长期以来与阿尔茨海默病相关的tau蛋白片段。但LRP家族的蛋白质也已被证明可以在脑细胞之间转移此类片段，从而可能促进疾病进程。
“你可以想象，试图用药物抑制这种情况的发生可能会有所帮助，”夏皮罗博士说。
这就是低温电磁的强大之处。
“如果你确切知道tau结合位置的原子细节，你实际上可能会使用抗体或小分子来阻断它，”菲茨帕特里克博士说。“Cryo-EM可以让您达到研究潜在新疗法所需的详细程度。”
“这是发现这些LRP蛋白如何工作以及针对一系列疾病的新药物靶点的漫长道路的开始，”Beenken博士说。