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蛋白质是细胞的引擎,负责生物体的大部分结构和功能。蛋白质与核酸、小分子代谢物和其他蛋白质的相互作用决定了发育和生理学的蓝图。

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自从重组 DNA 克隆和 x射线晶体学出现以来,科学家们一直在寻求确定分子功能的原理,以便理解进化是如何把我们带到今天的。其他人补充了大自然的蛋白质储备,并改进了变体,用于没有选择压力的特定功能,例如,对人类观察者来说神经元活动的视觉显示。近年来,大分子结构的热力学驱动力得到了充实; 事实上,该领域接近于平均尺寸蛋白质折叠问题的一般解决方案。

在一个互补的发展中,已经发现了许多用于产生和筛选蛋白质变体库的新技术,以选择有益的突变。相对于自然进化的序列,许多蛋白质的特性已经得到了改善; 事实上,自然界中看不见的功能已经被发现,无论是通过理性的还是经验的方法,或者越来越多地通过两者来发现。我们的实验室将使用这些工具创造试剂来阐明神经回路的功能。我们将与其他研究人员形成许多合作来设计和测试这些工具。在无数可能的设计目标中,我强调了我们将追求的五个。

神经递质传感器

通过信号分子和电势的神经传递是神经细胞交流的主要手段。能够以高时空分辨率追踪这些分子和电位的试剂将促进复杂的神经生理学解剖成离散的信号事件。与卡雷尔 · 斯沃博达(HHMI,Janelia Research Campus),我们将优化现有的神经递质检测器,以提高信噪比、环境稳健性、目标特异性、体内故障抗性和时间响应, 理想情况下对单个信令事件的解决。我们将使可用的传感器输出多样化,以跟踪新型成像模式的发展,并为给定目标选择最佳输出。我们还将扩展可检测的配体集,以包括所有的神经递质和相关的二级信使分子。

下一代蛋白质荧光团和成像标签
蛋白质工程和选择的最新进展,结合对自然进化的荧光蛋白的新探索,产生了新一代的成像探针,填充了可能的颜色光谱, 降低对环境参数的敏感性,改善折叠动力学和热力学,允许颜色变化,并使蛋白质融合的连接点几何结构多样化。我们将结合合理的设计以及体外和体内选择方案来生产具有特定特性的新蛋白质,重点是那些推进先锋成像方法的蛋白质, 如掌心和光学晶格显微镜的发展Eric Betzig(HHMI,Janelia)。

重组受体/配体对

蛋白质和小分子之间的结合事件在短时间尺度上决定生物学。生物体已经进化出一套精确的神经递质、受体和变构效应器来优化交流。相反,许多生物体进化出毒素,专门破坏其竞争对手的信号事件。已经发现了许多神经活性化合物,其中一些化合物的结构-功能关系、作用方式和蛋白质靶结构是已知的。协同Scott Sternson(HHMI,Janelia),我们将设计这些神经调节化合物和它们结合的受体的 “颠簸和空洞” 版本,从而制造新的独立功能的受体/配体组合。这将允许表达突变受体的动物激活特定的神经回路,而不受内源性分子或其他受体的干扰。

苍蝇和蠕虫的温度敏感突变体库

温度敏感基因等位基因的使用可以促进个体遗传回路的操作,同时绕过能够经受热冲击的生物体 (苍蝇和蠕虫,也许还有老鼠) 的早期致命性。动物生长在一个低的、允许的温度下,在这个温度下所有的蛋白质都是功能性的。一旦动物长到适当的发育状态,温度就会升高到一个高选择性的温度,在这个温度下,一个或多个蛋白质会因为它们的热力学稳定性降低而失效。在限制性温度下经过足够的时间后,这种蛋白质的功能被中和 (基因敲除在发育中会失败)。与朱莉 · 辛普森(HHMI,Janelia),我们建议大规模生产设计温度敏感版本的神经信号通路的几个关键组成部分,通过分子建模,定点诱变, 以及体外和体内筛选。结合靶向表达,这将允许构建突变生物体,在该生物体中,神经元子集的功能可以被操纵,以确定它们对行为的贡献。

膜蛋白结构

许多生物学现象发生在细胞 “内部” 和 “外部” 之间的脂质双层界面。对于神经信号回路的组成部分尤其如此,几乎所有这些组成部分都位于质膜上或质膜附近。不幸的是,这种环境的复杂生物物理特性很难在体外环境中复制。这极大地阻碍了 x射线晶体学和核磁共振的效用,这是蛋白质结构测定的两种主要手段,用于膜蛋白分析。与该领域的几个合作者一起,我们提议设计比野生型版本更容易结晶的膜蛋白。我们将把多巴胺转运体作为我们的模型系统,并设计具有稳定相互作用、设计位点、降低域间灵活性和膜模拟衍生的变体, 试图发现形成足够质量的晶体以确定结构的突变体。对这些膜蛋白结构的了解将促进对神经传递分子基础的理解。这些蛋白质也是生物学中最重要的药物靶点之一。

这些 “神经工程” 项目,结合其他研究者的开创性工作,将有助于建立神经回路设计的规则,促进他们有针对性的操作。我研究的统一主题是发现分子结构和功能的组织原理,以及它们对复杂生命系统的延伸。我相信没有比神经科学更令人兴奋的领域了,神经科学是生理学的最后前沿,在这个领域可以追求这个目标。我们必须根据我们对大脑理解的贡献来判断,但我希望在此过程中,我们能更多地了解组成这个神奇器官的微小分子和机器。