基礎醫學(xué)研究所王晨軒團隊發(fā)現氨基酸單點(diǎn)突變調控肽鏈組裝結構
2023年3月10日，中國醫學(xué)科學(xué)院基礎醫學(xué)研究所王晨軒團隊在Nano Letters《納米快報》發(fā)表了題為“β?Sheet Assembly Translates Conservative Single-Site Mutation into a Perturbation in Macroscopic Structure”（微觀(guān)尺度保守單點(diǎn)突變誘導宏觀(guān)尺度β片層高級組裝結構擾動(dòng)）的論文。研究報道了氨基酸單點(diǎn)突變對于調控肽鏈組裝結構的重要作用。
蛋白質(zhì)和超分子復合物機器結構的從頭設計與理論預測是多個(gè)研究領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)，但是相關(guān)的基礎理論研究仍然存在著(zhù)一些難點(diǎn)問(wèn)題。其中一個(gè)待解決的難題是由于對驅動(dòng)肽鏈形成組裝體的分子間相互作用認識不足，對蛋白質(zhì)四級結構的理論預測仍然存在挑戰性。現階段的研究進(jìn)展表明蛋白質(zhì)的三級結構對氨基酸序列的變化具有一定“耐受性”。通過(guò)序列比對，利用已解析的同源或相似蛋白質(zhì)的結構可以預測目標蛋白質(zhì)的三級結構。然而蛋白質(zhì)的四級結構對氨基酸序列變化的“耐受性”卻很低，序列相近、高度同源的蛋白質(zhì)在四級結構上可能存在顯著(zhù)性差異。揭示單位點(diǎn)氨基酸側鏈微小的結構擾動(dòng)與蛋白質(zhì)四級結構的全局結構變化之間的關(guān)聯(lián)規律是實(shí)現蛋白質(zhì)高級組裝結構人工設計的重要實(shí)驗基礎。
為解析氨基酸單點(diǎn)突變對肽鏈高級組裝結構的調控規律，本研究團隊利用具有超高空間分辨能力的掃描隧道顯微術(shù)（STM）對肽鏈形成的β片層組裝結構進(jìn)行單分子成像，揭示單位點(diǎn)氨基酸突變對肽鏈折疊形成的β股和β轉角結構的長(cháng)程調控機制。本研究團隊發(fā)現，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)生的結構差異性。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)生的結構差異傳遞到介觀(guān)尺度。點(diǎn)突變調控交叉-β纖維之間的界面作用，改變纖維向列型排列趨勢，誘導肽鏈在宏觀(guān)尺度的凝聚態(tài)結構發(fā)生相轉變。實(shí)驗結果表明通過(guò)單位點(diǎn)突變可實(shí)現肽鏈凝聚態(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變。本研究揭示了氨基酸單點(diǎn)突變對于調控β片層組裝結構的重要作用，在單分子尺度到宏觀(guān)尺度的蛋白質(zhì)折疊組裝途徑上展示了突變造成的蛋白質(zhì)組裝結構變化。這一發(fā)現強調了保守性殘基取代可能導致蛋白質(zhì)高級結構的全局變化，也強調了決定蛋白質(zhì)高級結構的分子間相互作用網(wǎng)絡(luò )的非加成性，為后續對多肽組裝體結構的從頭設計與預測提供了重要的科學(xué)依據。
本研究工作得到中國醫學(xué)科學(xué)院醫學(xué)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(shí)驗室創(chuàng )新基金（HH22KYZX0011）等項目的資助。基礎醫學(xué)研究所王晨軒副研究員為論文通訊作者，基礎醫學(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。