2023年3月10日，中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所王晨軒團(tuán)隊(duì)在Nano Letters《納米快報(bào)》發(fā)表了題為“β?Sheet Assembly Translates Conservative Single-Site Mutation into a Perturbation in Macroscopic Structure”（微觀尺度保守單點(diǎn)突變誘導(dǎo)宏觀尺度β片層高級(jí)組裝結(jié)構(gòu)擾動(dòng)）的論文。研究報(bào)道了氨基酸單點(diǎn)突變對(duì)于調(diào)控肽鏈組裝結(jié)構(gòu)的重要作用。
蛋白質(zhì)和超分子復(fù)合物機(jī)器結(jié)構(gòu)的從頭設(shè)計(jì)與理論預(yù)測(cè)是多個(gè)研究領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)，但相關(guān)的基礎(chǔ)理論研究仍存在一些難點(diǎn)。其中一個(gè)待解決的難題是由于對(duì)驅(qū)動(dòng)肽鏈形成組裝體的分子間相互作用認(rèn)識(shí)不足，對(duì)蛋白質(zhì)四級(jí)結(jié)構(gòu)的理論預(yù)測(cè)仍然存在挑戰(zhàn)性。現(xiàn)階段的研究進(jìn)展表明蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)氨基酸序列的變化具有一定“耐受性”。通過(guò)序列比對(duì)，利用已解析的同源或相似蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)可以預(yù)測(cè)目標(biāo)蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)。然而蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)氨基酸序列變化的“耐受性”卻很低，序列相近、高度同源的蛋白質(zhì)在四級(jí)結(jié)構(gòu)上可能存在顯著性差異，揭示單位點(diǎn)氨基酸側(cè)鏈微小的結(jié)構(gòu)擾動(dòng)與蛋白質(zhì)四級(jí)結(jié)構(gòu)的全局結(jié)構(gòu)變化之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律是實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)高級(jí)組裝結(jié)構(gòu)人工設(shè)計(jì)的重要實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
為解析氨基酸單點(diǎn)突變對(duì)肽鏈高級(jí)組裝結(jié)構(gòu)的調(diào)控規(guī)律，本研究團(tuán)隊(duì)利用具有超高空間分辨能力的掃描隧道顯微術(shù)（STM）對(duì)肽鏈形成的β片層組裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行單分子成像，揭示單位點(diǎn)氨基酸突變對(duì)肽鏈折疊形成的β股和β轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)程調(diào)控機(jī)制。本研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，肽鏈通過(guò)β股之間的氫鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)同性組裝形成β片層，放大點(diǎn)突變產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)差異性。β片層之間通過(guò)疏水作用與范德華作用堆疊形成交叉-β纖維，將單位點(diǎn)突變產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)差異傳遞到介觀尺度。點(diǎn)突變調(diào)控交叉-β纖維之間的界面作用，改變纖維向列型排列趨勢(shì)，誘導(dǎo)肽鏈在宏觀尺度的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生相轉(zhuǎn)變。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通過(guò)單位點(diǎn)突變可實(shí)現(xiàn)肽鏈凝聚態(tài)在無(wú)序液態(tài)/固態(tài)聚集體/液晶態(tài)液滴三相之間的可控轉(zhuǎn)變。本研究揭示了氨基酸單點(diǎn)突變對(duì)于調(diào)控β片層組裝結(jié)構(gòu)的重要作用，在單分子尺度到宏觀尺度的蛋白質(zhì)折疊組裝途徑上展示了突變?cè)斐傻牡鞍踪|(zhì)組裝結(jié)構(gòu)變化。這一發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了保守性殘基取代可能導(dǎo)致蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的全局變化，也強(qiáng)調(diào)了決定蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的分子間相互作用網(wǎng)絡(luò)的非加成性，為后續(xù)對(duì)多肽組裝體結(jié)構(gòu)的從頭設(shè)計(jì)與預(yù)測(cè)提供了重要的科學(xué)依據(jù)。
本研究工作得到中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)與健康科技創(chuàng)新工程（2022-I2M-JB-003, 2021-I2M-1-022）、細(xì)胞生態(tài)海河實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新基金（HH22KYZX0011）等項(xiàng)目的資助。基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所王晨軒副研究員為論文通訊作者，基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所張文博助理研究員、研究生劉明巍、王洋為論文的共同第一作者。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c00311
中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所
