蛋白质相互作用
蛋白质相互作用（英文：Protein-protein interactions， PPIs）是指两个或更多蛋白质分子之间通过非共价力（如氢键、疏水作用、范德华力和离子键）形成的特异性、功能性结合。PPIs是几乎所有生物学过程的基础，它们驱动着细胞信号转导、代谢通路、基因调控、结构组装和免疫防御等复杂生命活动的进行。
分类与特性
PPIs可根据相互作用的时间、强度、结构和功能进行多维度分类：
| 分类维度 | 类型 | 描述与例子 | |
|---|---|---|---|
| 时间尺度 | 瞬时相互作用 | 短暂、可逆的结合，通常在信号传导和调控中。例：激酶与底物、受体与配体。 | |
| 稳定相互作用 | 长期、稳定的复合物，常构成细胞结构或核心酶复合体。例：核糖体亚基、蛋白酶体、血紅蛋白四聚体。 | ||
| 亲和力 | 高强度 | 解离常数低（nM-pM），结合牢固。例：抗体-抗原、某些酶-抑制剂。 | |
| 低强度 | 解离常数高（μM-mM），结合动态，易于调控。例：许多信号传导中的对接事件。 | ||
| 结构特征 | 同源相互作用 | 相同或高度相似的蛋白质亚基间的相互作用。例：转录因子同源二聚化。 | |
| 异源相互作用 | 不同蛋白质间的相互作用。例：受体与下游衔接蛋白。 | ||
| 结构域介导 | 模块化相互作用 | 通过特定的结构域介导，如SH2、SH3、PDZ、WW结构域识别特定基序。 | 提供组合多样性，是信号网络的基础。 |
| 空间构象 | 构象诱导 | 结合诱导蛋白质发生显著的构象变化。例：G蛋白与激活的GPCR结合后构象改变。 |
生物学功能
PPIs在细胞生命活动中扮演着核心角色：
| 功能范畴 | 具体作用 | 实例 |
|---|---|---|
| 信号转导 | 形成信号复合物，传递和放大信号。 | 生长因子受体招募Grb2-SOS复合物激活Ras。 |
| 酶活性的调节 | 通过结合激活或抑制酶活性。 | 细胞周期蛋白依赖激酶与细胞周期蛋白结合后被激活。 |
| 基因表达调控 | 转录因子形成同源/异源二聚体，或招募共调节因子，调控转录。 | p53四聚体化后激活靶基因转录。 |
| 代谢通路组织 | 将连续反应的酶组织成代谢酶复合体，提高效率，防止中间产物扩散。 | 丙酮酸脱氢酶复合体、脂肪酸合酶复合体。 |
| 结构支持 | 组装成大型细胞器或细胞骨架。 | 微管蛋白聚合形成微管；胶原蛋白三螺旋形成纤维。 |
| 蛋白质运输与定位 | 将蛋白质定向至特定细胞器或膜区域。 | 核定位信号与输入蛋白α/β的相互作用。 |
| 免疫识别 | 抗原与主要组织相容性复合体结合，被T细胞受体识别。 | 适应性免疫应答的核心。 |
| 质量控制 | 分子伴侣识别并协助未折叠/错误折叠蛋白质。 | Hsp70与未折叠多肽结合，防止聚集。 |
研究方法
研究PPIs的技术繁多，各具优势和局限，常需互补验证：
| 方法类别 | 具体技术 | 原理与特点 |
|---|---|---|
| 体内/细胞内方法 | 酵母双杂交 | 经典、高通量筛选。基于转录激活，报告基因表达指示相互作用。但存在假阳/阴性。 |
| 荧光共振能量转移 | 检测纳米级距离内（~10 nm）的相互作用，可用于活细胞实时成像。 | |
| 双分子荧光互补 | 将荧光蛋白分割成两段，分别与目标蛋白融合，相互作用后重建荧光。 | |
| 蛋白质片段互补 | 类似BiFC，但使用酶（如萤光素酶、β-半乳糖苷酶）片段。 | |
| 体外/生化方法 | 免疫共沉淀 | 利用抗体沉淀一种蛋白，检测与其结合的蛋白。验证已知相互作用的金标准。 |
| Pull-down/GST沉淀 | 将“诱饵”蛋白固定在基质上，从混合物中“拉下”与之结合的蛋白。 | |
| 表面等离子共振 | 实时、无标记测量相互作用的动力学参数（结合/解离速率常数）。 | |
| 等温滴定量热法 | 精确测量结合的热力学参数（结合常数、焓变、熵变）。 | |
| 交联质谱 | 用化学交联剂固定相互作用蛋白，质谱鉴定交联位点，提供空间约束信息。 | |
| 计算预测方法 | 基于序列/结构/共进化 | 利用机器学习、同源建模、共进化分析等生物信息学方法预测PPIs。 |
数据库与网络
大规模PPI研究产生了海量数据，形成了蛋白质相互作用网络。重要数据库包括：
STRING：整合了实验、预测、数据库和文献挖掘的综合性PPI数据库。
BioGRID：收录经过整理的遗传和蛋白质相互作用数据。
IntAct：提供分子相互作用数据的开源数据库。
MINT：专注于文献中经实验验证的PPIs。
网络分析可识别功能模块、关键枢纽蛋白和疾病相关网络扰动。
在医学与药物开发中的应用
疾病机制：许多疾病源于PPI异常（如过度、减弱或错误结合）。例如：
癌症：致癌融合蛋白（如BCR-ABL）形成异常复合物；p53与MDM2相互作用失调。
神经退行性疾病：蛋白质异常聚集（如Aβ， α-突触核蛋白）涉及错误互作。
感染：病原体蛋白劫持宿主蛋白以利于其复制。
药物靶点：传统上药物靶点多为酶或受体。PPI界面正成为新兴的药物靶点类别。
挑战：PPI界面通常大而平坦，缺乏传统小分子的高亲和力结合口袋。
策略：开发中等分子、肽类/拟肽分子、蛋白降解靶向嵌合体等。
参考文献
Nooren, I. M., & Thornton, J. M. (2003). Diversity of protein-protein interactions. The EMBO Journal, 22(14), 3486-3492.
（对蛋白质相互作用多样性的经典综述，系统分类了PPIs。）Pawson, T., & Nash, P. (2003). Assembly of cell regulatory systems through protein interaction domains. Science, 300(5618), 445-452.
（阐述了通过模块化相互作用结构域组装细胞调控系统的重要概念。）Shoemaker, B. A., & Panchenko, A. R. (2007). Deciphering protein-protein interactions. Part I. Experimental techniques and databases. PLoS Computational Biology, 3(3), e42.
（全面总结了研究PPIs的实验技术和数据库，是该领域的实用指南。）Ryan, D. P., & Matthews, J. M. (2005). Protein-protein interactions in human disease. Current Opinion in Structural Biology, 15(4), 441-446.
（讨论了PPIs在人类疾病中的作用。）Scott, D. E., Bayly, A. R., Abell, C., & Skidmore, J. (2016). Small molecules, big targets: drug discovery faces the protein-protein interaction challenge. Nature Reviews Drug Discovery, 15(8), 533-550.
（深入探讨了以PPI为靶点的药物发现所面临的挑战和最新策略。）
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