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肽链相互交织的多结构域蛋白质内部的协作性和折叠动力学
发布时间:2022-06-18     浏览次数:

      大约70%的真核生物蛋白结构域组成的它们不仅参与诸多的生物功能,比如变构信号传导、肌肉伸缩等,结构也体现多样性:如果结构域间简单串联结构域序列连续,称为单联多结构蛋白SMP,如锚蛋白重复序列(图1A);如果结构域间多次联结、结构域内序列不连续,称为多联多结构域蛋白MMP,如腺苷酸激酶ADK1B,本文研究对象鉴于MMP的复杂性,很难仅根据序列和二级结构的联结来预测其结构形成机制。目前比较缺乏MMP折叠路径全面深入的研究Haas等人在实验中改变盐酸胍浓度触发ADK折叠,发现塌缩很快,而二级结构形成很慢Haran等人利用实验得到了不同盐酸胍浓度下平衡态轨道,发现多个中间态并且各个态之间的转变几率可通过盐酸胍浓度调控尽管已有这些重要的实验结果,盐酸胍溶液中ADK塌缩/折叠过程中结构如何形成、中间态的结构信息/折叠路径还是不清楚。

刘振兴和美国德克萨斯大学奥斯汀分校化学系DThirumalai教授一起首次将自组装聚合物模型和分子转移模型联合用于研究MMP模拟实验条件下ADK1C包括三个结构域NMP LIDCORE的折叠过程包括控制温度和变性剂浓度。研究不仅定量重现了很多实验结果,还表明了NMP折叠相对独立,而LIDCORE之间相互协作,这种强协作性来源于CORE的不连续性。各态之间的联结网络平衡态和降温触发的折叠过程都是多重联结且平行存在。本工作为研究其他MMP提供了重要的模拟方法

圆二色谱实验数据表明ADK的折叠过程有两次转变,对应的转变温度分别KK(图1D中黑色线)本研究用分子动力学模拟得到的系统总能量(图1D中红色线)也的确反映出两次转变,对应的转变温度分别为KK,和实验结果非常吻合,确定了自组装聚合物模型的有效性。

      实验和模拟都表明ADK有两次转变,也就是说其折叠过程是三态过程。本研究利用两个转变温度下的自由能曲线(图1E)确定了三个态(天然态、中间态和解折叠态)的区分标准,从而将所有态进行分类。1F中展示了三态所占比例随温度变化的曲线,由此同样可得到和实验非常吻合的两个转变温度KK


1:结构、序列以及ADK的热力学性质。

为了能和实验结果直接进行比较,我们利用分子转移模型来研究盐酸胍对ADK性质的影响。首先,计算了随盐酸胍浓度变化的FRET效率,计算结果和实验结果极其符合(图2A中黑色实线和黑色点)。我们计算得到的FRET效率的导数也表明ADK有两次转变(图2A插图)主要转变对应的转变浓度M实验结果完全一致;预测的另一转变浓度M,实验上还没有观察到。2B中展示了三个态所占比例随盐酸胍浓度变化的曲线,由此同样可得到对应的两个转变浓度MM

      ADK三个结构域中天然接触形成比例随盐酸胍浓度变化曲线(图2C表明NMPLID发生一次转变,对应转变浓度分别为MM,可见NMPLID更加稳定;CORE发生两次转变,折叠过程比NMPLID更复杂。三个结构域中天然接触形成比例在两个转变浓度下的分布也表明了类似的结果(图2D)。不同浓度下的比热曲线表明随着盐酸胍浓度提高,转变温度逐渐下降(图2E),定量分析发现二者之间是线性关系(图2F)。

2盐酸胍浓度对ADK性质的影响

本研究选取ADK三个结构域中天然接触形成比例作为序参量来对100条折叠轨道进行分析,发现ADK的折叠有多个平行路径(图3),其中NMPLID都只有2(用LH表示)CORE5个态1-5表示,而 ADK整体表现出有13个态,对应于15种折叠路径。13个态之间的转变几率非常复杂,折叠初期ADK的状态及路径非常多样化,而折叠后期自由能面ADK结构约束更强,反映出随着折叠的进行自由能面逐渐紧缩至天然态。

3ADK折叠的平行路径

基于研究结果,我们认为多联多结构域蛋白中的协作性出现在折叠后期,而折叠早期却高度多样化我们的很多预测,转变温度随盐酸胍浓度变化多个结构域的形成顺序相互作用,都可通过实验进行验证精细的结构变化需单分子实验验证。类似的结论很可能也适用于核酶(多个结构域成的具有酶催化功能的RNA分子)受离子驱动的折叠过程我们建议用单分子拉伸实验来研究RNA内部各个结构域之间相互作用。

相关成果近日以Cooperativity and Folding Kinetics in a Multidomain Protein with Interwoven Chain Topology为题刊发在美国化学学会ACS出版社旗下的综合性旗舰期刊ACS Central Science上。大发dafa888官方网站刘振兴副教授为论文的第一作者和通讯作者,美国德克萨斯大学奥斯汀分校化学系DThirumalai教授为论文的共同通讯作者。大发dafa888官方网站为论文的第一单位关于研究的更多细节,请查阅论文原文(链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.2c00140)。