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线虫的逃逸信号:人工智能有助于阐明新型光传感器的结构
来源:互联网 发表于 2023/8/14

图形摘要。当代生物学(2023 年)。doi: 10.1016/j.cub.2023.07.008


在堆肥堆中,线虫秀丽隐杆线虫发现了一张摆放丰富的桌子:蠕虫的长度仅为一毫米,以分解有机物质的细菌为食。动物须避免阳光照射,而不仅仅是确保其身体保持在良好温度并且不会变干。


富含能量的蓝光和紫外线会对透明蠕虫的细胞造成损害,导致遗传分子dna突变,或导致过氧化氢(h2o2).例如,后者可以阻止蛋白质的正确产生并驱动细胞死亡。实验室观察表明,秀丽隐杆线虫反射性地从光束中退出。


线虫没有眼睛,但它的一些感觉神经元含有蛋白质lite-1,它以迄今为止未知的方式将光感觉转化为生化信号,触发戒断反射。由法兰克福歌德大学的alexander gottschalk教授,马克斯普朗克生物物理研究所和歌德大学的gerhard hummer教授以及flatiron institute的sonya hanson博士领导的一组科学家现在已经阐明了lite-1的结构和功能。


为此,他们使用了“alphafold2-multimer”软件,这是一种人工智能,能够根据蛋白质和蛋白质复合物的氨基酸构建块序列预测蛋白质和蛋白质复合物的结构。他们的发现:lite-1是一种所谓的通道蛋白,它位于细胞膜中并形成一种孔,带电粒子(即离子)可以通过该孔穿过膜。


“人工智能工作得很好,并为lite-1提出了一个合理的结构,”alexander gottschalk说。“在随后的基因实验中,我们继续检查基于这种结构的预测是否也可以在活线虫及其对光的反应中得到验证。为此,研究人员特异性地突变了lite-1中的单个氨基酸,并观察了对光诱发行为的后果。


他们发现,除其他外,形成通道的氨基酸的替换导致lite-1的功能完全丧失。其他突变实验揭示了蛋白质可以与h相互作用的位点2o2还发现了一种中心氨基酸,它似乎负责吸收紫外线产生的能量。


gerhard hummer解释说:“看起来lite-1包含一个完整的氨基酸网络,像天线一样排列,以捕获紫外线光子的能量并将其传递到蛋白质的中心位置。在这里,位于一个空腔,该空腔又可以用作发色团的结合袋 - 即可以吸收光子或其能量的分子。


研究人员的模型假设,这种未知的发色团还受到蓝光的直接刺激,然后将所有能量转移到lite-1蛋白上,导致离子通道的打开和离子流入细胞。较高的离子浓度成为生化电信号的起点,触发反冲反射。


亚历山大·戈特沙尔克补充说,它显然在h2o2由细胞中的光暴露诱导也存在:“h 对 lite-1 的额外激活2o2确保后坐力反射不会由弱光触发,而只会由非常强烈的组织损伤光触发,例如阳光直射。


lite-1构成了一种非常简单的光感知形式。gottschalk说,与昆虫嗅觉受体的比较表明,lite-1来源于这种嗅觉受体,它可能巧合地结合了一种分子,该分子也可以吸收光,从而向动物发送有害光的警告信号。


gottschalk强调了这种受体对光遗传学研究领域的重要性,该领域是在光依赖性离子通道(称为“通道视紫红质”)的发现和规范后在法兰克福共同创立的。光遗传学领域提供了在细胞中使用光控开关来研究细胞功能的可能性。


“我们分析的lite-1和类似蛋白质都可以用作新的光遗传学工具,使我们能够将光谱扩展到紫外线范围。计算生物物理学家索尼娅·汉森(sonya hanson)看到了研究方法的未来巨大潜力:“我们使用的人工智能现在非常好,无需费力的生化工作,我们仍然可以了解特定蛋白质的工作原理。


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