调节蛋白质稳定性:研究共溶剂效应的新途径

醇和尿素被用作蛋白质变性剂，但其助溶剂作用的机制仍然是一个谜。通过计算模拟，日本的研究人员现在已经证明了这种差异是如何产生的——尿素与蛋白质的主链相互作用，而醇2,2,2-三氟乙醇与极性侧链相互作用。因此，计算方法可以加快选择用于调节蛋白质结构稳定性的共溶剂。

　　

当在体外(在其天然环境外)操纵蛋白质的展开和再折叠时，控制不稳定过程是重要的。为此，尿素和酒精被用作共溶剂，少量的物质和水一起加入，以使蛋白质不稳定和变性。尿素会干扰一种天然蛋白质，使其产生无序的螺旋状结构，而酒精的干扰则会产生螺旋状结构。对助溶剂作用机理的研究表明，蛋白质在天然状态和变性状态之间的稳定性与助溶剂如何与每种状态结合有关。助溶剂与蛋白质的天然或变性状态的结合是由优先结合参数(PBPs)控制的，即与蛋白质的特异性相互作用。不幸的是，在共溶剂存在下影响蛋白质稳定性的分子机制尚不完全清楚。

但是，是否有可能精确地指出尿素和酒精等共溶剂与蛋白质相互作用的区别呢?来自日本的一组研究人员最近使用一种工具解决了这个问题，该工具解释了助溶剂如何与蛋白质相互作用，并预测了蛋白质、水和助溶剂之间最重要的结合关系。“我们希望更深入地了解助溶剂如何在溶液中稳定蛋白质的天然或变性状态。因此，我们利用计算模拟来确定PBPs，并揭示尿素和2,2,2-三氟乙醇(TFE)如何诱导它们相反的共溶剂效应，”冈山大学跨学科科学研究所副教授、团队负责人Tomonari Sumi说。此外，冈山大学的Noa Nakata女士和Kenichiro Koga博士、兵库大学的Ryuichi Okamoto博士、千叶大学的Takeshi Morita博士和永滨生物科学与技术研究所的Hiroshi Imamura博士参与了这项研究，并作为共同作者在2023年8月25日发表在《蛋白质科学》上的这项研究。

该团队研究了酵母蛋白GCN4-p1的天然状态和变性状态之间的助溶剂依赖性稳定性，GCN4-p1具有由线圈和螺旋组成的明确的天然结构。这使得它非常适合使用分子动力学模拟来研究TFE在水中的螺旋稳定性和尿素的线圈稳定性，分子动力学模拟是一种预测蛋白质中原子在给定时间内运动的计算方法。

“我们能够预测两种共溶剂的合适的超额优先结合(EPB)。首先，TFE与GCN4-p1螺旋侧链之间的静电相互作用产生EPB，使螺旋稳定。其次，尿素和GCN4-p1主链线圈之间的分散和静电相互作用有助于EPB，稳定线圈，”Sumi博士解释说。

此外，该小组的模拟数据与TFE和尿素的螺旋和线圈稳定实验数据相吻合。通过这种方式，研究小组证明了这些相互作用产生了相反的共溶剂效应。在蛋白质-助溶剂-水的三角关系中，TFE的羟基被吸引到蛋白质的极性侧链上，而尿素优先结合到蛋白质的肽主链上。这是一个重要的发现，因为人们可以有效地预测助溶剂可能引起的潜在结构变化。

该团队对他们的研究的广泛影响感到兴奋，因为它通过利用计算资源解决了共溶剂筛选的问题。“我们相信这些发现将为整个工业和医学的蛋白质稳定带来成果。本研究中应用的分析方法大大减少了了解共溶剂如何影响蛋白质结构稳定性所需的时间。这可以帮助我们绕过涉及耗时的自由能计算的更传统的方法，”Sumi博士总结道。

作为日本的顶尖大学之一，冈山大学旨在为世界的可持续发展创造和建立新的范例。冈山大学提供广泛的学术领域，成为综合研究生院的基础。这不仅使我们能够进行最先进和最新的研究，而且还提供了丰富的教育经验。网站:https://www.okayama-u.ac.jp/index_e.html

Sumi Tomonari博士于1999年在日本九州大学获得博士学位。他目前是日本冈山大学跨学科科学研究所的副教授。Sumi博士的研究领域包括生命科学、生物物理学、基础物理化学和生物信息学。