2023年7月5日，中國醫(yī)學科學院基礎醫(yī)學研究所王晨軒團隊在Science Advances(科學進展)上發(fā)表題為“Single-molecule visualization determines conformational substate ensembles in β-sheet-rich peptide fibrils”(單分子可視化技術檢測富含β片層多肽纖維的構象系綜)的文章。研究報道了利用掃描隧道顯微鏡（STM）在單分子水平上探測β片層為主的多肽的構象系綜，揭示了其多種微觀狀態(tài)與宏觀性質之間的關聯(lián)規(guī)律，為研究蛋白質和多肽的構象系綜提供了新的方法和研究思路。
蛋白質超分子組裝和納米結構的可控設計是生物分子工程和超分子材料研究領域的前沿問題之一。β片層是各種類淀粉樣蛋白形成的纖維狀聚集體的特征性結構。受淀粉樣蛋白聚集體的結構啟發(fā)，通過優(yōu)化肽鏈之間的非共價相互作用，β片層可作為組裝基元可構筑功能性超分子組裝材料，應用于組織工程和藥物遞送。傳統(tǒng)觀點認為構成淀粉樣蛋白纖維的β片層結構是高度有序的，一條淀粉樣蛋白纖維內部的蛋白質單體構象是以唯一的能量最優(yōu)狀態(tài)存在的。然而近期的理論研究揭示蛋白質和多肽在天然狀態(tài)下并非只以一種能量最低的構象存在，是由多種構象組成的構象系綜。但是傳統(tǒng)的生物物理學技術解析蛋白質內部構象異質性的能力十分有限，檢測多個同時存在的構象亞穩(wěn)態(tài)具有挑戰(zhàn)性。亟需發(fā)展新方法、新技術實現(xiàn)對蛋白質組裝體內部異質性結構的高分辨率解析。
為了研究β片層組裝體內部的肽鏈的異質性構象系綜，本團隊利用掃描隧道顯微鏡(STM)在亞分子分辨率（<2.6 ?）對角蛋白衍生肽（KRT）和淀粉樣多肽（-5Aβ42，TDP-43 341-357）進行研究。該團隊的研究結果表明，上述β片層結構多肽組裝體內部存在超過10個構象不同的微觀狀態(tài)，這些微觀狀態(tài)之間的相對能量差異在幾kBTs范圍內漲落。STM研究結果還揭示了氨基酸單個位點突變引起的肽鏈構象系綜變化，且系綜變化與多肽組裝體的宏觀性質密切相關。該工作基于STM的單分子成像成功捕獲β片層結構多肽的構象系綜圖像，從而構建了多種微觀狀態(tài)間相互作用的能量景觀。該方法時間短、直接成像的特點可以和傳統(tǒng)的構象系綜表征技術互補，為研究蛋白質和多肽的構象系綜及其與生理功能之間的關聯(lián)規(guī)律提供新方法。
本研究工作得到北京市自然科學基金（2222039）、國家自然科學基金（32201243，32201142,31901007）、中國醫(yī)學科學院醫(yī)學與健康科技創(chuàng)新工程（2022-I2M-JB-003, 2021-I2M-1-022）、細胞生態(tài)海河實驗室創(chuàng)新基金（HH22KYZX0011）等項目的資助。基礎醫(yī)學研究所王晨軒研究員、于蘭蘭副研究員和俄亥俄州立大學王曉光教授為論文通訊作者，基礎醫(yī)學研究所張文博助理研究員、研究生王若楠、劉明巍為論文的共同第一作者。國家納米科學中心王琛研究員、楊延蓮研究員、加州理工學院姚昱星博士、哈佛大學李姝聰博士也為該工作做出了重要貢獻。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg7943
