PNAS：解析蛋白质折叠机制

　　

生物通报道  近日来自瑞士苏黎世大学、德克萨斯大学奥斯汀分校及加州大学的研究人员在新研究中发现在蛋白质折叠过程中，内部摩擦有可能发挥了远比之前认为的更为重要的作用。相关研究论文发布在《美国科学院院刊》（PNAS）上。

蛋白质是一种结构复杂但极其重要的一种生物大分子，其功能很大程度上取决于它们的结构。对于蛋白分析的一种重要方面就是解析蛋白折叠过程。蛋白质折叠过程就是将氨基酸链折叠形成特殊的形状，由此使蛋白质呈现出特异功能的过程。这个过程是一个多相过程，从展开态到折叠态发生一系列复杂的微观过程，深入了解这一折叠机理，对于保留蛋白质活性，维持蛋白质稳定性和包涵体蛋白质折叠复性都具有重要的意义，因此蛋白折叠问题被列为“21世纪的生物物理学”的重要课题。

文章的共同作者、加州大学圣塔芭芭拉分校物理学家Everett Lipman说：“直到现在蛋白质折叠仍是一个待解之谜。在这篇文章中，我们采用单分子光谱学定量了未折叠和内在紊乱的蛋白质的内部摩擦。”

Lipman 说：“蛋白质的最终形状主要是由未折叠链中的氨基酸元件序列决定。在这一过程中，这些元件相互碰撞，当达到正确的形态时，氨基酸链便通过‘过渡状态’，卡入到相应的位置。”

“我们最终想知道蛋白质的化学序列是如何确定它将成为什么样子的，以及多快能达到，”Lipman说。

利用加州大学圣塔芭芭拉分校物理系原研究生Shawn Pfeil开发的微流体混合技术，研究小组监控了个别蛋白在折叠过程中的极端快速重构。

在微流体混合器中，一种用于分解蛋白质的“变性”化合物被快速稀释，确保能够在前所未有的自然状态下观察折叠过程。检测表明内部摩擦在折叠过程中比以前实验观察到的要起更显著的作用，尤其是当蛋白质开始是更紧密的未压缩结构时。

Lipman 说：“在这么小的尺寸里，一切都由摩擦支配。”分子和它的液体环境之间的摩擦是一个方面，此外还有不依赖于周围的溶剂的“干”摩擦。

内部摩擦降低了氨基酸链探查不同形态（有可能是导致过渡状态的原因）的速率，由此减慢了折叠过程。氨基酸链用来寻找其天然状态——它的最终形状——的时间越长，它困在在未折叠状态的可能性就越高。

“当氨基酸链展开时，它更容易陷在一种错误折叠的状态，或与其他未折叠的分子积聚，”Lipman说。错误折叠蛋白质积聚被认为是大量疾病的罪魁祸首。例如与阿尔茨海默氏症相关的淀粉样斑块。此外，细胞会将展开和不可用的蛋白质打碎成其元件氨基酸。

虽然并没有证实内部摩擦与积聚之间存在联系，也未证实一种蛋白的摩擦形式是否以同样的途径影响了其他蛋白，Lipman及同事却越来越接近了解内部摩擦对蛋白质折叠过程的影响程度。

“这些测量表明在现实情况下，内部摩擦在未折叠状态动力学中发挥了重要的作用。如果一个蛋白质折叠过程的模型没有考虑到这一点，那它就应该重新考虑一下了，”Lipman说。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Quantifying internal friction in unfolded and intrinsically disordered proteins with single-molecule spectroscopy

Internal friction, which reflects the “roughness” of the energy landscape, plays an important role for proteins by modulating the dynamics of their folding and other conformational changes. However, the experimental quantification of internal friction and its contribution to folding dynamics has remained challenging. Here we use the combination of single-molecule Förster resonance energy transfer, nanosecond fluorescence correlation spectroscopy, and microfluidic mixing to determine the reconfiguration times of unfolded proteins and investigate the mechanisms of internal friction contributing to their dynamics. Using concepts from polymer dynamics……