基礎醫學(xué)研究所王晨軒團隊在單分子水平揭示β-折疊多肽組裝的構象系綜

       2023年7月5日，中國醫學(xué)科學(xué)院基礎醫學(xué)研究所王晨軒團隊在ACSCentralScience《ACS核心科學(xué)》發(fā)表了題為“Experimental Insights into Conformational Ensembles of Assembled β-Sheet Peptides (β-折疊組裝肽的構象系綜研究)”的論文，該研究在單分子水平揭示了β-折疊多肽組裝結構中的構象系綜。
      蛋白質(zhì)分子整體或局部一定時(shí)間尺度內表現出多重構象的動(dòng)態(tài)互變。宏觀(guān)條件下，蛋白質(zhì)的性質(zhì)由處于各種運動(dòng)狀態(tài)的、各自獨立的構象的集合共同決定，這種動(dòng)態(tài)構象的集合被稱(chēng)為構象系綜。系統性地解析蛋白構象系綜，闡明各亞穩態(tài)與穩態(tài)在結構、分布概率、相對能量關(guān)系隨時(shí)間的演化規律，是揭示蛋白聚集趨勢的物質(zhì)與能量基礎。由于蛋白質(zhì)的動(dòng)態(tài)結構包含了多重熱力學(xué)微觀(guān)狀態(tài)，使用經(jīng)典的結構生物學(xué)研究手段進(jìn)行結構測定不可避免地涉及到多態(tài)性結構平均化，丟失微觀(guān)狀態(tài)的結構信息和特征。因此必須發(fā)展亞分子水平的超高分辨率顯微成像方法用以解析蛋白質(zhì)的構象系綜。
      本團隊發(fā)展了基于掃描隧道顯微術(shù)（STM）用于蛋白質(zhì)構象系綜解析的亞分子水平成像與數據處理方法（自主知識產(chǎn)權）。基于STM技術(shù)的單分子成像技術(shù)利用電子隧穿效應，獲得分子的局域電子態(tài)密度差異和分子形貌。該技術(shù)不依賴(lài)于統計大量分子獲得平均化信息，而是對單個(gè)分子的局域結構進(jìn)行分析。該方法空間分辨率優(yōu)于0.3 nm，能夠同時(shí)分辨10種以上共存的蛋白質(zhì)微觀(guān)狀態(tài)。可在1分鐘內對約500個(gè)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行結構測定。本團隊使用該方法揭示了人胰島淀粉樣蛋白關(guān)鍵8-37片段（hIAPP8-37）纖維狀聚集體內部的單體結構存在差異性，是由18種不同亞穩態(tài)構成的構象系綜。統計該18種亞穩態(tài)的分布概率與相對作用模式，進(jìn)一步建立了構象系綜的能量景觀(guān)圖。當蛋白質(zhì)發(fā)生異常的氨基酸位點(diǎn)突變或者翻譯后修飾，也將伴隨著(zhù)構象系綜各熱力學(xué)微觀(guān)狀態(tài)的重新分配。相較之下，其病理性突變體hIAPP S20G 8-37組裝結構中包含了19種亞穩態(tài)構成，存在95種多肽-多肽相互作用模式。應用Fisher-Yates洗牌算法獲得構象亞穩態(tài)的隨機排列，對比實(shí)驗測量的累積概率和洗牌算法產(chǎn)生的隨機概率，發(fā)現焓在驅動(dòng)具有相似β鏈長(cháng)度的亞穩態(tài)之間相互作用的重要貢獻。病理性S20G突變增強了具有相似β鏈長(cháng)度的亞穩態(tài)之間的相互作用，闡明了hIAPP S20G的高聚集趨勢的分子機制。該工作為β-折疊多肽組裝中的構象系綜和多肽間相互作用模式提供了單分子實(shí)驗視角，將有利于深入剖析氨基酸突變和翻譯后修飾等各因素對蛋白質(zhì)錯誤折疊相關(guān)疾病（包括朊病毒病、帕金森病、淀粉樣變性等）病理機制影響的分子機制。
      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（2021-I2M-1-022和2022-I2M-JB-003）、國家自然科學(xué)基金(31901007, 32201243, 32201142)、北京市自然科學(xué)基金（2222039）、細胞生態(tài)海河實(shí)驗室“揭榜掛帥”項目（HH22KYZX0011）、醫學(xué)分子生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室自主研究課題（2060204）等項目的資助。基礎醫學(xué)研究所王晨軒研究員、俄亥俄州立大學(xué)王曉光教授和基礎醫學(xué)研究所張文博助理研究員為論文共同通訊作者。基礎醫學(xué)研究所于蘭蘭副研究員和博士生王若楠為論文的共同第一作者。國家納米科學(xué)中心王琛研究員、楊延蓮研究員、加州理工學(xué)院姚昱星博士、哈佛大學(xué)李姝聰博士也為該工作做出了重要貢獻。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.3c00230