PNAS：创建一个新的强大的数据集，彻底改变了对β桶的理解

　　堪萨斯大学的研究人员创建了一个新的强大的数据集，揭示了不同类型的β桶及其进化关系，促进药物开发

　　

据美国疾病控制与预防中心称，与革兰氏阴性菌有关的感染包括肺炎、血液感染、伤口感染和脑膜炎。

科学家们一直关注在某些类型的革兰氏阴性细菌中发现的管状“外膜蛋白”，这种蛋白对于开发针对一系列此类感染的疫苗至关重要，其中一些感染显示出越来越强的耐药性。这些外膜蛋白通常呈管状，被称为β-桶蛋白（beta-barrel protein），具有作为疫苗靶点的巨大潜力。

现在，堪萨斯大学的研究人员创建了一个新的强大的数据集，揭示了不同类型的β桶及其进化关系，以促进药物开发。他们的研究结果最近发表在同行评议的《美国国家科学院院刊》上。              

该研究的合著者、堪萨斯大学分子生物科学和计算生物学副教授乔安娜·斯鲁斯基(Joanna Slusky)在她的实验室监督了这项研究，她说，对β桶的新认识为科学探究和药物开发提供了新的思路。

“外膜蛋白存在于革兰氏阴性细菌的外膜中，所有这些膜蛋白都呈β桶状结构，具有共同的基本拓扑结构。”Slusky说。“外膜起着至关重要的作用，包括营养输入、毒素输出、粘附、酶活性和环境适应，所有这些都由这些外膜蛋白控制。”

Slusky团队制作新数据集的方法与过去的努力不同，过去的努力只是试图对已知的外膜蛋白的亲属进行分类。这种被称为“IsItABarrel”的新方法揭示了超过27万种以前未被识别的外膜蛋白，这些蛋白可能会引起疫苗研究人员的兴趣。Slusky的团队已经在网上发布了这个数据库，以便进行这项工作。

Slusky说:“认识到它们共享的β桶特征是一种独特的形状，我们开发了一种算法，产生了大约190万个这些蛋白质的实例。”“从那里，我们把它们分成不同的组。占主导地位的群体约占140万例。然后，很大一部分，大约500,000个实例，属于各种其他组。这表明大自然多次独立地发展了这个褶皱。”

尽管Slusky实验室和其他人之前发现了两三个蛋白质进化聚集在β桶状的例子，但现在堪萨斯大学的研究小组已经在不同的细菌类型中发现了11个独立的例子。

Slusky说:“我们最初的研究发现，含有这种蛋白质的细菌比预期的要多，包括那些以前被低估的细菌。”“此外，我们观察到细菌中跨膜β桶的存在增强了，我们已经知道这些蛋白质。我们的信心指标显示最小的假阳性，以及与其他方法相当的假阴性。这证实了我们算法的可靠性。”

Slusky实验室的研究还表明，虽然许多蛋白质表现出“桶状信号”的特征，或者众所周知的折叠成桶状的氨基酸序列，但其他类型的蛋白质表现出桶状信号，直到该团队使用“IsItABarrel”进行分析才为人所知。

“这个序列基序在促进膜内蛋白质的插入和折叠方面起着关键作用，”堪萨斯大学的研究人员说。“普遍认可的主题只存在于原型贝塔桶中。相反，替代蛋白表现出完全不同的基序，导致膜内形成不同的桶状基团。这一发现为独立进化的概念提供了额外的证据。然而，它也强调了我们对这些其他蛋白质折叠过程的理解的局限性。”

Slusky说，细菌可以利用氨基酸的新序列基序制造β桶的发现应该会激发许多新的研究方向。

“它们是使用与上述蛋白质相同的折叠机制，还是采用完全不同的方法?”她说。“目前还不确定这些蛋白质是否使用类似的插入机制，是否有可能在不同蛋白质的帮助下插入。或者，它们的插入过程可能从根本上是不同的。这些问题的最终答案仍在等待中。”

Slusky的合作者是这项研究的主要作者Daniel Montezano，他是堪萨斯大学的博士后研究员，还有共同作者Rebecca Bernstein，他是一名高中研究员，Matthew Copeland是堪萨斯大学计算生物学项目的研究工程师。