結構生物化學/神經退行性疾病
神經退行性疾病是與衰老密切相關的疾病，每年影響全球超過 1.2 億人。一些神經退行性疾病通常透過其蛋白質的錯誤摺疊和聚集來識別 - 這導致神經毒性。[1] 但，這一觀點一直存在爭議，並且根據最近的研究，人們對蛋白質的本質及其對神經退行性疾病的影響有了更好的瞭解。這一有爭議主題的一個突出例子是阿爾茨海默病以及腦中 β-澱粉樣蛋白 (Aβ) 的聚集。[2] β-澱粉樣蛋白肽可以在大腦中以非毒性物質的形式存在，但是，在阿爾茨海默病患者的大腦中發現了這種肽的大量沉積物。這些退行性疾病與蛋白質聚集之間的聯絡已透過實驗研究：基因突變、基因劑量增加和翻譯後基因修飾。這些實驗分別與帕金森病、阿爾茨海默病和亨廷頓病有關。儘管進行了這些實驗，但這些關係仍然知之甚少。人們普遍認為，神經退行性疾病是由衰老、蛋白酶體和線粒體功能障礙、氧化應激以及異常的蛋白質-蛋白質相互作用（透過細胞毒性）引起的，一個更激進的建議認為，宏觀蛋白質包涵體也是這些疾病發展中的一個重要因素。這些宏觀包涵體已包含在許多疾病模型中，但最近才被觀察到作為寡聚體和原纖維物種存在於活細胞中。
澱粉樣蛋白假說 - 異常的蛋白質相互作用，這些相互作用積累並導致神經缺陷，最終導致神經退行性疾病，被認為與聚集的蛋白質插入有序的纖維狀結構（如澱粉樣蛋白膜）中具有因果關係。這是由於蛋白質畸形造成的 - 它們指定的伴侶蛋白不再識別它們，也不能被泛素-蛋白酶體系統破壞。結果，這些蛋白質能夠保留在細胞中並對細胞產生有害影響。然後，這些細胞可以形成穩定的、不溶的澱粉樣蛋白組裝體，這些組裝體主要由 β-摺疊片組成。另一種組裝體，寡聚物種，體積更小，據預測是澱粉樣蛋白原纖維的前體或澱粉樣蛋白生成級聯反應中的異常中間體。
這是最常見的與年齡相關的疾病之一，通常與痴呆症相關。隨著人口年齡的增長，阿爾茨海默病的發病率也在上升。在分子水平上，阿爾茨海默病最典型的特徵之一是由 Aβ 和神經纖維纏結組成的細胞外澱粉樣蛋白斑塊。識別這些標誌性特徵還不夠，因為儘管能夠識別這些蛋白質，但它們的形成機制仍然未知。這部分是因為大多數阿爾茨海默病病例是隨機發生的，沒有明確的訊號表明疾病何時開始。為了規避這一點，已開發出構象依賴性抗體，以幫助檢查蛋白質聚集體並識別原纖維寡聚體和纖維。
光學顯微鏡和活細胞成像是通常用於研究神經退行性疾病發展型別的技術。
雙分子熒光互補 (BiFC) - 該技術很有用，因為它可以在生理環境中使用（而不是從身體中提取）。此外，它有助於闡明蛋白質-蛋白質相互作用，並具有空間和時間解析度。它還闡明瞭活細胞內蛋白質-蛋白質相互作用的功能。該方法涉及兩個非熒光分子，它們是報告蛋白的片段，以及感興趣的兩種蛋白質。如果感興趣的兩種蛋白質相互作用，則報告蛋白的兩個片段會結合在一起，形成一個模擬蛋白質天然形式的結構。近年來，這種技術很有幫助，因為它有助於解釋寡聚化與神經退行性疾病之間的聯絡。還預計 BiFC 將能夠幫助確定大腦中包涵體和寡聚物種是如何形成的。因此，BiFC 可以透過預測藥物的合適靶點並建議治療神經退行性疾病的新方法來幫助治療研究。
該技術從 2002 年開始使用，除了神經退行性疾病外，還有許多其他應用。例如，它已被用於研究其生理狀態下鹼性亮氨酸拉鍊和 Rel 家族轉錄因子的相互作用。該方法也已用於幾種模式生物，例如哺乳動物細胞系、植物、線蟲、酵母和細菌。最初，它僅用於識別單個蛋白質-蛋白質相互作用。但在最近的實驗中，它已被用於透過使用具有不同發射光譜的多種熒光蛋白來研究多種蛋白質-蛋白質相互作用。這一進步使得能夠研究亞細胞定位、評估複合物的形成、分析對蛋白質-蛋白質相互作用的控制以及同時觀察不同蛋白質複合物變化的能力。
BiFC 的另一種變體將報告蛋白與生物發光共振能量轉移光譜結合使用，作為多色 BiFC 的替代方案。
BiFC 的優點
與許多較舊的技術相比，BiFC 具有兩個主要優點。
1. 這種技術使用在蛋白質-蛋白質相互作用發生後引起熒光的分子，因為這種相互作用非常特異，因此不太可能有任何其他相互作用能夠在報告蛋白中引起足夠強的熒光。
2. 熒光復合物的使用允許在生物體內研究蛋白質-蛋白質相互作用，而不是從其自然環境中去除感興趣的蛋白質，以對其進行染色和跟蹤其作用。
BiFC 的缺點
1. 這種技術是識別蛋白質-蛋白質相互作用的間接方法，需要使用非常特殊的熒光報告蛋白。因此，如果其中一種蛋白質未知，則無法使用該方法來研究蛋白質之間的相互作用。這個問題已透過產生不同的 cDNA 附著在熒光蛋白片段上的文庫來克服。
2. 使用該技術研究神經退行性疾病的侷限性之一是，當蛋白質相互作用時熒光團重新結合時，則複合的熒光團將穩定相互作用的蛋白質，從而阻止觀察到所需的相互作用。儘管存在此缺點，但這也有益，因為它允許更選擇性地研究寡聚體和二聚體物種。對於神經退行性疾病研究，這種影響可能特別有用，因為透過穩定蛋白質複合物，複合物將能夠在其相互作用狀態下存在更長時間。這將使研究更多轉瞬即逝的蛋白質-蛋白質相互作用變得更容易。這種技術現在使得研究蛋白質聚集過程成為可能，因為該過程的形成部分涉及這些短暫的蛋白質-蛋白質相互作用。3. 該方法不區分二聚體、寡聚體和更高階物種。必須使用其他技術來完成此操作，例如流式細胞術或 SDS-PAGE。
冷凍電子顯微鏡 - 與核磁共振 (NMR) 光譜結合使用，這種技術有助於確定 β-澱粉樣蛋白肽衍生組裝體的結構。這很重要，因為對 Aβ 肽組裝體的更深入瞭解將有助於解釋 Aβ 聚集在大腦中的影響。
雖然目前的研究技術尚未完全瞭解蛋白質-蛋白質相互作用，但眾所周知，它們對於理解生成的蛋白質及其在生理條件下的功能至關重要。異常蛋白質相互作用的一個常見結果是存在胞質、核或細胞外包涵體。這些包涵體通常是由於錯誤摺疊的蛋白質積累成不溶的核或胞質澱粉樣蛋白沉積物所致。蛋白質-蛋白質相互作用的變化被認為會導致這些包涵體的形成。雖然包涵體形成機制尚未完全瞭解，但研究表明，即使錯誤摺疊的蛋白質不同，包涵體的形成也遵循一種普遍一致的模式。因此，需要確定有關包涵體的更多結論性資料，以便為治療神經退行性疾病開發治療技術。
蛋白質-蛋白質相互作用研究 過去，蛋白質-蛋白質相互作用透過共免疫沉澱和共純化來研究。在這些過程中，蛋白質-蛋白質相互作用只能透過從其生理條件下移除蛋白質來觀察。近年來，蛋白質微陣列也以類似的方式工作。將蛋白質從其環境中移除會引入誤差來源，因為蛋白質-蛋白質相互作用也受其環境的影響，而將其從生理條件下移除意味著蛋白質不會像通常在細胞中那樣發揮作用。相比之下，蛋白質片段互補測定（PCAs）、補償性突變的功能分析和基於成像的技術能夠透過避免將蛋白質從細胞中移除來更準確地識別蛋白質-蛋白質相互作用。
以前用於製作蛋白質-蛋白質相互作用影像的技術通常使用熒光或生物發光共振能量轉移顯微鏡、熒光相關光譜和影像相關光譜。熒光共振能量轉移顯微鏡很有用，因為它在體內用兩種不同的熒光團標記兩種相互作用的蛋白質。當供體熒光團被激發時，它將能量轉移到第二種熒光團，即受體熒光團，它將標記第二種蛋白質。兩種蛋白質之間的距離由兩種熒光團壽命之間的差異決定。然而，這種技術受到限制，因為兩種蛋白質之間的距離必須小於 10 奈米，否則兩種熒光團的發射光譜將不會重疊。這種技術已被用於研究澱粉樣前體蛋白基因的突變及其與 presenilin-1 的相互作用的影響。這種技術也可以用來表徵分子內和分子間相互作用。
熒光相關光譜 是一種生物成像技術，它使用理論分析來解釋熒游標記分子的波動和擴散速率。特定的波動與相互作用蛋白質的特定相互作用和聚集模式相關。這種方法已被用來研究肽 β-澱粉樣蛋白聚集體的形成方式。