在所有已知蛋白中，膜蛋白差不多占据了40%，包括受体，通道蛋白，信号分子，是细胞通信所必需的，如果膜蛋白功能失效，则会导致很多疾病。然而迄今为止，在已知的蛋白结构总量当中，膜蛋白只占据一小部分。基于结构的设计是开发药物的一种强有力的武器，且药物要能有效治疗，作用位点就必须精准，且副作用最小化。X射线晶体学，仍然是解决不同大小的蛋白的原子结构的唯一通用方法。然而，由于非常难于制备高纯度的膜蛋白和得到它们的晶体，该方法也无从施展。
这是一个实际的问题，因为亲水性蛋白，如位于细胞质的那些蛋白，在溶液中能比较容易地结晶，但是膜蛋白含有位于脂质层(lipid layer)的疏水性区域。为了维持它们的形状，这些亲脂性的结构域就必须被类似于天然细胞膜上的组分所包围，这就使得人们很难得到衍射性能不错的晶体。不过，在过去两年内，一些技术上的进步使得人们有能力确定膜蛋白的结构。
提取与稳定化
技术上的进步是对结晶过程的多个步骤进行改良的结果。一个例子来自斯克利普斯研究所的Raymond Stevens和他的同事们，他们发现脂质在确定对肾上腺素(adrenaline)作出反应的G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptor, GPCR)的结构中是必需的。当Stevens试图使GPCR结晶时，他发现胆固醇分子是晶体形成所必需的，而且从晶体结构上看，胆固醇起着GPCR二聚体分子之间胶黏剂的作用[1]。这也可从下面的观察结果中得到结构上的解释：在细胞膜上，胆固醇是受体GPCR形成二聚体和发挥信号转导功能所必需的。
使用去污剂(detergent)分离膜蛋白对于它们能够形成晶体的问题上产生着深刻的影响。典型的去污剂，如
β-辛基谷氨酸(beta-octyl glucoside)，能够产生较大的脂质球团(globule)，也被称作微团(micelle)，它含有一个磷脂单层，且磷脂单链尾部面朝内。大的微团增加脂质对蛋白的比值，使得膜蛋白很难聚集到一个适合晶体形成的密度。Stevens与一些化学家合作设计出新的去污剂，比如基于胆酸盐的两性分子，能产生较小的微团，从而膜蛋白分子更紧密地聚集，从而形成更好的晶体[2]。
第三个改善晶体形成的因素是蛋白的起源。蛋白产生的数量和质量依赖于有机体，细胞类型，启动子和用来表达蛋白的载体。然而，人们还无法预先知晓哪些生物种类或哪种表达方法能产生性能较好的蛋白。鉴于很多膜蛋白在多种生物种类中表达，应当对同源基因进行测试和筛选以便找到最适合形成晶体的的蛋白[3]。研究人员如今可以使用高通量的方法在大量的蛋白表达和纯化条件中筛选出最佳条件，从而有助于加快找到合适的且能形成晶体的实验过程[4]。
这种优化方法的一个显著性例子来自洛克菲勒大学罗德-马克金农(Rod MacKinnon)实验室。因为对CLC氯离子转运蛋白的机制感兴趣，该实验室的研究人员通过在蛋白30个位点中的每个位点上用一个蛋氨酸替换一个自然条件下存在的氨基酸，从而改善从他们制备的晶体中得到的数据。他们然后将重元素硒标记这些蛋氨酸，以便帮助更精确地验证这个蛋白的原子结构。
再设计蛋白
砍掉蛋白的末端是人们经常使用的一个使得细胞质中的蛋白更容易形成晶体的小技巧。类似地，去掉膜蛋白的亲水性区域和柔韧性的末端也促进晶体形成。人类水通道蛋白4(human aquaporin 4, HA4)与肌萎缩性脊髓侧索硬化症(amyotrophic lateral sclerosis, ALS)类似的自身免疫疾病视神经脊髓炎(neuromyelitis optica)相关联。通过切掉HA4的柔韧性区域，我们获得了一个高清晰的晶体结构[5]。另一个方法就是引入突变，改变蛋白序列从而稳定某种特定的蛋白构象，并经筛选后找出可能固定其他柔韧性区域的突变。
而采用更剧烈的设计方法---大规模基因再设计(wholesale gene redesign)---使得通过其他方法不能开展研究的蛋白的结构解析成为可能。一些氨基酸有多个密码子---核苷酸三联体组成
遗传密码---以及不同生物种类对产生同一个蛋白的不同密码子有偏好。由于密码子偏好影响蛋白翻译效率，从一个有机体中取得一基因，将它在另一个有机体中进行表达，有可能改善蛋白生产。我们最近设计了一个镰状疟原虫(Plasmodium falciparum)水通道蛋白的基因，让它在大肠杆菌(Escherichia coli)的质膜组分中表达。我们通过使用大肠杆菌偏好的密码子来改变镰状疟原虫的基因序列，这一过程也称作密码子最优化。尽管DNA序列发生变化，但其表达的蛋白质序列仍然保持不变[6]。
最近几年技术的快速发展使得人们确定膜蛋白的结构和它们怎样发挥作用的前景更加光明。我们现在能开始探讨一些跨膜过程的机制，这些机制与多种疾病相关联，如
癌症，
糖尿病，精神分裂症(schizophrenia)和抑郁症，而以前在这些疾病中，膜蛋白的信号转导功能缺陷在原子结构水平上进行研究难度非常大。
作者：
2011-5-19