圣裘德儿童研究医院和威斯康星州医学院的科学家创建了一个数据科学框架，以更好地了解细胞如何在体内旅行。研究人员分析了趋化因子及其相关的G蛋白偶联受体（GPCR），即控制细胞运动的蛋白质。他们发现，这两种蛋白质结构和无序区域内的特定位置决定了趋化因子和GPCR如何相互结合。科学家利用这些信息人工改变趋化因子-GPCR结合偏好，并改变由此产生的细胞迁移。这种类型的理解可能会改善疾病治疗，例如增强细胞疗法如何到达肿瘤部位，并提高健康过程的清晰度，例如心脏和血管的发育。研究结果于今天发表于单元格.
细胞迁移影响身体的许多过程，包括免疫细胞如何到达感染部位、大脑如何发育以及伤口如何修复。它也被疾病细胞所利用，例如在转移癌中。众所周知，细胞运动是由两个蛋白家族（GPCR和趋化因子）之间的相互作用来指导的，但每个家族成员之间的巨大相似性给理解正确的配对如何形成和控制相关细胞的运动提出了挑战。研究人员开发了数据科学方法，以确定每个蛋白质控制其分子相互作用的确切部分。
高级联合通讯作者St.Jude数据科学高级副总裁和数据驱动发现卓越中心结构生物学系主任M.Madan Babu说：“我们发现细胞有一个优雅的系统，它利用结构和无序来控制细胞迁移。有了这一认识，我们现在可以合理地在趋化因子的结构中引入小的变化，以最终以所需的方式改变细胞迁移。"
小而无序的区域为趋化因子-GPCR对提供顺序
科学家们通过数据挖掘蛋白质序列和结构信息，揭示了趋化因子及其受体如何结合GPCR家族的选定成员。他们比较了所有人类趋化因子结合GPCR和所有趋化因子，然后比较了其他物种的类似趋化因子和GPCR。他们还从群体水平上对每种蛋白质进行了单独研究，发现了不同群体和不同群体中保持不变的位置。?
“通过我们的数据分析，我们发现趋化因子和GPCR如何相互选择的信息存储在高度非结构化、无序区域的小而离散的包中，”圣犹达数据驱动发现卓越中心的第一作者兼共同通讯作者Andrew Kleist说，结构生物学系。“这些来自趋化因子和受体的小软件包的混合导致了独特的交互作用，类似于控制细胞迁移的网站数据加密密钥。”Kleist在联合通讯作者Brian Volkman博士的实验室中作为研究生开始这项工作，威斯康星州医学院生物化学教授。
网站使用公共和私人数字密钥确保销售安全。买卖双方各自拥有一个公钥和一个私钥，这两个密钥都是质数。当私钥和公钥相乘时，产生的唯一数字确保只有参与事务的双方才能交换信息，同时保护信息不受不良行为者的影响。科学家们发现，这些蛋白质中的无序区域起着私钥的作用，而结构化区域起着公钥的作用。趋化因子无序区与GPCR结构区的相互作用，在每个蛋白质高度结构部分的更大背景下，为细胞提供了该趋化因子-GPCR对的唯一化学标识符，就像验证一对公钥和私钥一样。该唯一标识符包含细胞对特定趋化因子-GPCR结合作出适当反应的信息，并向更多趋化因子迁移。
Babu说：“一旦我们了解了这些蛋白质是如何相互作用的，我们就可以合理地对它们进行突变，使其具有不同的性质。”。研究人员改变了决定所选趋化因子选择性的区域，以改变其受体结合偏好。合著者林赛·塔尔博特（Lindsay Talbot），医学博士，圣犹德外科，表明科学家可以改变T细胞白细胞的一种类型，移动，减弱正常情况下阻止其移动的信号。
使用趋化因子和GPCR向前移动
Kleist说：“现在我们已经展示了概念验证，我们的方法将指导对新药的探索和对现有细胞疗法的改进。例如，有可能创造出能更好地将免疫细胞导向癌症的分子，或有助于招募更多的造血干细胞用于骨髓移植。理论上，任何利用细胞运动的治疗方法都可以从应用这些原理中受益。”
为了使科学家和临床医生能够对此进行测试，合作者在线发布了他们的数据科学框架。该资源是将细胞运动操作从概念推向患者现实的第一步。
Babu说：“当人们想到身体时，我们认为每个细胞都在原地不动，但这是一种简单的观点。根据组织，细胞一直在运动，我们对这些系统的新认识为治疗发展开辟了新途径。”
帮助合理设计趋化因子和受体的框架可从以下网站免费获得：https://github.com/andrewbklest/chemokine_gpcr_encoding
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