武漢物數(shù)所等建立蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)研究新方法
摘要: 近日，中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)所學(xué)習(xí)員唐淳帶領(lǐng)的生物大分子動(dòng)態(tài)學(xué)學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)和北京生命科學(xué)學(xué)習(xí)所董夢(mèng)秋學(xué)習(xí)組合作，在生物化學(xué)雜志（The Journal of Biological Chemistry）發(fā)表題為Modeling protein exci ...
近日，中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)所學(xué)習(xí)員唐淳帶領(lǐng)的生物大分子動(dòng)態(tài)學(xué)學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)和北京生命科學(xué)學(xué)習(xí)所董夢(mèng)秋學(xué)習(xí)組合作，在生物化學(xué)雜志（The Journal of Biological Chemistry）發(fā)表題為Modeling protein excited-state structures from "over-length" chemical cross-links 的學(xué)習(xí)論文，成功探索了利用化學(xué)交聯(lián)質(zhì)譜（chemical cross-linking of proteins coupled with mass spectrometry， or CXMS）和結(jié)構(gòu)計(jì)算來(lái)學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)的新途徑，并發(fā)布了通用流程。 到目前為止，結(jié)構(gòu)生物學(xué)學(xué)習(xí)主要關(guān)注蛋白質(zhì)的基態(tài)結(jié)構(gòu)，但是蛋白質(zhì)行使功能往往需要在基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間轉(zhuǎn)變構(gòu)象。解析蛋白質(zhì)的激發(fā)態(tài)構(gòu)象和結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)（protein dynamics）對(duì)于X射線晶體學(xué)和電鏡等傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)生物學(xué)方法是一大難題。核磁共振（NMR）雖然適合學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)在溶液中的多種構(gòu)象，但是僅限于50 kDa以下的蛋白，而且需要大量的、同位素標(biāo)記的、高度純化的蛋白。 對(duì)于CXMS實(shí)驗(yàn)而言，蛋白樣品中兩個(gè)氨基酸之間發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，必須滿足交聯(lián)劑的化學(xué)特異性要求（如氨基特異性）以及空間距離小于或等于交聯(lián)劑臂長(zhǎng)的要求。因此，由CXMS獲得的交聯(lián)位點(diǎn)對(duì)提供了可用于結(jié)構(gòu)計(jì)算的距離約束信息。作為結(jié)構(gòu)生物學(xué)的新工具，特別是單分子電鏡技術(shù)的輔助工具，CXMS在很多大型蛋白質(zhì)復(fù)合體的結(jié)果解析中做出了貢獻(xiàn)。但該技術(shù)最令人困擾的問(wèn)題是：即便用最嚴(yán)苛的篩選標(biāo)準(zhǔn)，總有小局部交聯(lián)位點(diǎn)對(duì)在晶體結(jié)構(gòu)（一般是基態(tài)構(gòu)象）中的距離大于交聯(lián)劑臂長(zhǎng)（"over-length" chemical cross-links）。對(duì)于此類數(shù)據(jù)，大局部實(shí)驗(yàn)室選擇丟棄或者放松距離約束（如果結(jié)構(gòu)未知）。 兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室一年前合作發(fā)現(xiàn)分子間的高可信度過(guò)長(zhǎng)交聯(lián)反映了蛋白-蛋白間的弱或瞬時(shí)相互作用（Gong Z， Biophysics Reports 2016）。該文重點(diǎn)學(xué)習(xí)分子內(nèi)不同結(jié)構(gòu)域之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，分子內(nèi)的高可信度過(guò)長(zhǎng)交聯(lián)來(lái)源于蛋白質(zhì)的激發(fā)態(tài)構(gòu)象；它們不是制造麻煩的問(wèn)題數(shù)據(jù)，而是“眾里尋他千百度”的反映蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)的珍貴信息。作者通過(guò)交聯(lián)數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，結(jié)合了鈣離子但沒(méi)有結(jié)合配體肽段或蛋白的鈣調(diào)蛋白（Ca2+-CaM）除了采取啞鈴狀的開放態(tài)構(gòu)象（基態(tài)），還有一種閉合態(tài)構(gòu)象，非常接近之前用NMR手段觀察到的激發(fā)態(tài)構(gòu)象。這種閉合態(tài)構(gòu)象與結(jié)合了各種配體的Ca2+-CaM晶體結(jié)構(gòu)或NMR結(jié)構(gòu)也非常相似，說(shuō)明配體肽段或蛋白的結(jié)合穩(wěn)定了原已存在的Ca2+-CaM的閉合態(tài)構(gòu)象。該文還用同樣方法學(xué)習(xí)了細(xì)菌磷酸轉(zhuǎn)移系統(tǒng)中的蛋白EIN和谷氨酰胺結(jié)合蛋白QBP，發(fā)現(xiàn)它們均含有基態(tài)構(gòu)象之外的一種激發(fā)態(tài)構(gòu)象。已發(fā)表的NMR學(xué)習(xí)表明，Ca2+-CaM的激發(fā)態(tài)構(gòu)象在溶液中所占的比例小于5% ；EIN和QBP的激發(fā)態(tài)構(gòu)象很可能由于豐度過(guò)低未能被NMR檢測(cè)到。這說(shuō)明CXMS-DynaXL方法可以靈敏地檢測(cè)到溶液中的低豐度構(gòu)象，靈敏度達(dá)到甚至超過(guò)NMR，且不受蛋白大小限制，可以廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)變化學(xué)習(xí)。 該文建立了一套基于交聯(lián)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算方法，內(nèi)容包括：用15N同位素標(biāo)記的蛋白與天然同位素標(biāo)記的蛋白等量混合后進(jìn)行交聯(lián)質(zhì)譜分析，從中得到高可信度的分子內(nèi)交聯(lián)數(shù)據(jù)，然后用專門開發(fā)的DynaXL軟件進(jìn)行構(gòu)象模擬計(jì)算。DynaXL包含結(jié)構(gòu)域識(shí)別、模擬交聯(lián)反應(yīng)、分子動(dòng)力學(xué)模擬等多個(gè)模塊，并采用友好的可視化用戶界面。它首先嘗試用基態(tài)構(gòu)象模擬交聯(lián)反應(yīng)，如果不能滿足全部交聯(lián)約束，則添加一個(gè)構(gòu)象，直到所有交聯(lián)約束都得以滿足。同類其它算法只考慮單一構(gòu)象，試圖讓單個(gè)構(gòu)象滿足所有交聯(lián)數(shù)據(jù)；當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)在溶液中存在多種構(gòu)象時(shí)，容易造成過(guò)擬合，得到錯(cuò)誤結(jié)構(gòu)。（DynaXL下載鏈接：http://tanglab.org/resources）。 在該文接收發(fā)表的同時(shí)，由學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)提交的封面設(shè)計(jì)也從眾多候選稿件中脫穎而出，被The Journal of Biological Chemistry 雜志社選中作為期刊封面，并于1月27日刊印出版。出版日期恰逢中國(guó)農(nóng)歷除夕，這也是一份最好的新年禮物。 武漢物數(shù)所副學(xué)習(xí)員龔洲和董夢(mèng)秋實(shí)驗(yàn)室的博士后丁曰和為論文共同第一作者。武漢物數(shù)所助理學(xué)習(xí)員劉侃負(fù)責(zé)了DynaXL軟件的設(shè)計(jì)工作。這項(xiàng)學(xué)習(xí)得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、美國(guó)霍華德休斯醫(yī)學(xué)學(xué)習(xí)所（HHMI）基金和北京市政府資助。 論文鏈接  The Journal of Biological Chemistry 封面圖片 來(lái)源:武漢物理與數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)所 編輯:葉瑞優(yōu)武漢物數(shù)所等建立蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)研究新方法 | 責(zé)任編輯：蟲子 |