免疫荧光标记和单细胞分析显示，在正常乳腺上皮细胞中，Src活性在低pH值（左侧）时增加，在高pH值（右侧）时降低，与对照细胞（中心）相比。图片来源：圣母大学
人类单个细胞宽度仅为百万分之一米的十分之一，非常微小。但比细胞更小的因素对细胞的一切活动都有着巨大影响：质子浓度，即pH值。在微观层面，pH依赖性结构调节细胞运动和分裂。pH反应的改变会加速癌症和阿尔茨海默病、亨廷顿病等神经退行性疾病的发展。
研究人员希望精确定位蛋白质中的pH敏感结构，以确定蛋白质在正常和病变细胞中如何响应pH变化，并最终设计出治疗这些疾病的药物。
现在，在《科学信号传导》杂志发表的一项新研究中，圣母大学的研究人员提出了一种计算过程，可以在几天内扫描数百种蛋白质，筛选出pH敏感的蛋白质结构。
"在拿起移液管或进行任何实验之前，我们就可以预测哪些蛋白质对这些pH变化敏感，哪些蛋白质实际上驱动着细胞分裂、迁移、癌症发展和神经退行性疾病发展等关键过程，"化学与生物化学系Clare Boothe Luce助理教授Katharine White表示，"再也不用大海捞针了。"
传统识别pH敏感蛋白质的挑战
准确确定pH变化如何在分子水平上影响行为驱动蛋白质一直是一个挑战，因为研究人员必须费力地逐一测试信号通路中的单个蛋白质是否具有pH敏感性。
例如，肌动蛋白细胞骨架重塑是细胞迁移的一个关键方面，1993年被证明是pH依赖的。自那以后，该领域的科学家只确认了四种pH敏感蛋白质，而怀疑参与这一过程的蛋白质有许多。在整个生物学领域，只有70种细胞质蛋白质被确认为pH敏感——尽管研究人员推测还有很多——在这些蛋白质中，只有20种的分子机制是已知的。
新计算管道的工作原理
这项新研究开发并验证了一个模块化的计算管道，该管道基于现有结构和实验数据预测pH敏感结构的位置。
"细胞内部的pH是细胞的一个重要特征，但由于测量和操控的困难，它在很大程度上被忽视了，"耶鲁癌症中心副主任Daniel DiMaio表示，"因为White博士开发了一条可行的路径来分析细胞内pH的作用，她的工作为寻找更多对这一特征做出反应的细胞活动提供了动力——我预测会有很多。"
在开发该管道的过程中，White的研究小组预测并验证了一种称为Src同源性2（SH2）结构域的独特结合模块的pH敏感性，该结构域出现在对细胞信号传导、免疫反应和发育至关重要的蛋白质中，以及在许多癌症中被激活的深入研究的酶c-Src的pH依赖性功能。
"这些蛋白质除了在某些癌症中发生突变外，还对细胞调控至关重要，除了表明它们对pH敏感外，我们还发现了蛋白质上发生pH调控的确切位置，"该研究的主要作者、生物物理学最近毕业的博士Papa Kobina Van Dyck解释道，"我们成功地将25年的工作压缩到了几周内。"
收集数据和建模蛋白质电荷相互作用
研究人员从RCSB蛋白质数据库获取结构数据，该全球存储库存储并提供对蛋白质、核酸和其他生物大分子的三维结构数据的访问。
然后，该程序整合实验pKa值，这些值估计了特定氨基酸（蛋白质的构建模块）可能获得或失去质子的pH值。这些值允许程序预测蛋白质中各部位的电荷，并模拟电荷之间的相互作用如何影响蛋白质的形状。对于pH敏感性研究特别感兴趣的是那些在正常生理pH的狭窄窗口（约7.2至7.6）中可能带电的构建模块。
"我们能够观察到所有这些电荷是如何相互连接的，"White说，她是Harper癌症研究所的教员。"由于相反电荷相互吸引，相同电荷相互排斥，其中一个基序切换电荷有可能影响邻近电荷。我们重点关注的氨基酸是那些切换到相反电荷会在整个网络中引起电荷翻转级联的氨基酸。"
揭示变构机制和蛋白质调控
仅一个氨基酸的电荷翻转可能会产生超出比例的影响，例如在新研究中调查的磷酸酶信号蛋白SHP2的情况下。虽然SHP2在2005年被证明对pH敏感，但直到现在才阐明特定的分子机制。随着两个关键残基结合质子，整个593个氨基酸蛋白质的构象从闭合变为开放。
"这是生物化学中称为变构的一种机制，"White解释道。"变构是一种间接效应，发生在蛋白质活性位点之外但调节活性。从结构上识别它并确定变构的机制很困难，但我们的管道可以做到这一点。"
在研究含有SH2结构域的SHP2时，研究团队注意到，计算管道标记为pH敏感的两个位点位于两个关键结构之间，包括调节性SH2结构域。作为分子桥梁，SH2结构域促进蛋白质复合物的组装，从而激活生长、分化、存活和免疫激活等细胞反应。
"识别出一种pH敏感蛋白质是非常令人兴奋的，因为一般来说识别pH敏感蛋白质非常困难，"Van Dyck说。"但我们开始思考，如果这是所有含有SH2结构域的蛋白质中常见的机制呢？"
对癌症和靶向治疗的影响
该管道识别出一系列SH2信号蛋白，这些蛋白在SH2界面上包含与SHP2相同的pH敏感位点。其中包含了c-Src，这是一种在许多人癌中活性高于正常的深入研究的酶。对Src的计算分析标记了四个潜在的pH敏感位点，随后由Van Dyck及其同事通过实验确认。
研究人员发现，正常的健康Src在低pH值时活性高，在高pH值时活性低。计算机标记的pH敏感位点上的癌症相关突变使蛋白质对pH变化不敏感，消除了对Src活性的调控，并导致侵袭性癌症特征的不受控制的细胞增殖。
但现在White和同事们已经绘制并验证了Src中pH调控的确切分子机制，这为开发模拟关键变构位点并恢复天然pH敏感性的靶向药物打开了大门。
"这是我们理解人类生物学的一个重大挑战：如果你能理解分子机制，那么你就可以针对它，干扰它，并减少这些突变对患者的负面影响，"White说。
在Src和SHP2的情况下，此类药物将仅针对突变蛋白，而不影响正常蛋白，从而在患者的健康细胞中保留活性。这种靶向治疗的益处不仅限于癌症，还扩展到更广泛的疾病生物学。
"除了癌症和神经退行性疾病外，pH动态还与糖尿病、自身免疫疾病和创伤性脑损伤有关，"White说。"我们的管道是一个强大的工具，用于理解和最终设计这些疾病的治疗方法，有可能改变这一领域。"
更多信息：Papa Kobina Van Dyck等，可电离网络介导SH2结构域信号蛋白SHP2和SRC中的pH依赖性变构，《科学信号传导》（2025）。DOI: 10.1126/scisignal.adt3018
期刊信息：《科学信号传导》
提供者：圣母大学
【全文结束】
