2023年7月5日，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所王晨軒團隊在ACS Central Science《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(gòu)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(jié)構(gòu)中的構(gòu)象系綜。
蛋白質(zhì)分子整體或局部一定時間尺度內(nèi)表現(xiàn)出多重構(gòu)象的動態(tài)互變。宏觀條件下，蛋白質(zhì)的性質(zhì)由處于各種運動狀態(tài)的、各自獨立的構(gòu)象的集合共同決定，這種動態(tài)構(gòu)象的集合被稱為構(gòu)象系綜。系統(tǒng)性地解析蛋白構(gòu)象系綜，闡明各亞穩(wěn)態(tài)與穩(wěn)態(tài)在結(jié)構(gòu)、分布概率、相對能量關(guān)系隨時間的演化規(guī)律，是揭示蛋白聚集趨勢的物質(zhì)與能量基礎(chǔ)。由于蛋白質(zhì)的動態(tài)結(jié)構(gòu)包含了多重?zé)崃W(xué)微觀狀態(tài)，使用經(jīng)典的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究手段進行結(jié)構(gòu)測定不可避免地涉及到多態(tài)性結(jié)構(gòu)平均化，丟失微觀狀態(tài)的結(jié)構(gòu)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(gòu)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(gòu)象系綜解析的亞分子水平成像與數(shù)據(jù)處理方法（自主知識產(chǎn)權(quán)）?；?/span>STM技術(shù)的單分子成像技術(shù)利用電子隧穿效應(yīng)，獲得分子的局域電子態(tài)密度差異和分子形貌。該技術(shù)不依賴于統(tǒng)計大量分子獲得平均化信息，而是對單個分子的局域結(jié)構(gòu)進行分析。該方法空間分辨率優(yōu)于0.3 nm，能夠同時分辨10種以上共存的蛋白質(zhì)微觀狀態(tài)。可在1分鐘內(nèi)對約500個蛋白質(zhì)分子進行結(jié)構(gòu)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(nèi)部的單體結(jié)構(gòu)存在差異性，是由18種不同亞穩(wěn)態(tài)構(gòu)成的構(gòu)象系綜。統(tǒng)計該18種亞穩(wěn)態(tài)的分布概率與相對作用模式，進一步建立了構(gòu)象系綜的能量景觀圖。當(dāng)?shù)鞍?/span>質(zhì)發(fā)生異常的氨基酸位點突變或者翻譯后修飾，也將伴隨著構(gòu)象系綜各熱力學(xué)微觀狀態(tài)的重新分配。相較之下，其病理性突變體hIAPP S20G 8-37組裝結(jié)構(gòu)中包含了19種亞穩(wěn)態(tài)構(gòu)成，存在95種多肽-多肽相互作用模式。應(yīng)用Fisher-Yates洗牌算法獲得構(gòu)象亞穩(wěn)態(tài)的隨機排列，對比實驗測量的累積概率和洗牌算法產(chǎn)生的隨機概率，發(fā)現(xiàn)焓在驅(qū)動具有相似β鏈長度的亞穩(wěn)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鏈長度的亞穩(wěn)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(gòu)象系綜和多肽間相互作用模式提供了單分子實驗視角，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(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)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)海河實驗室“揭榜掛帥”項目（HH22KYZX0011）、醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)國家重點實驗室自主研究課題（2060204）等項目的資助。基礎(chǔ)醫(yī)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(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所張文博助理研究員為論文共同通訊作者。基礎(chǔ)醫(yī)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
