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在分子动物学领域，单核苷酸突变对蛋白质功能影响重大。研究人员以机械响应蛋白 Cadherin - 23（Cdh23）为对象，研究其三种遗传变异体。结果发现不同变异体在力适应和折叠动力学上存在差异，为揭示基因型与表型的力学关系提供依据。
在生命的微观世界里，蛋白质就像一个个精密的小机器，承担着各种重要任务。其中，机械响应蛋白在感受和传递机械力信号方面起着关键作用，与许多生理过程密切相关。然而，目前对于这类蛋白如何适应不同的机械环境，以及它们的结构变化如何影响功能，科学家们还没有完全弄清楚。特别是在分子动物学领域，机械特性作为进化决定因素的作用也尚不明确。就拿与听力相关的蛋白来说，随着年龄增长，人们的听力会逐渐下降，这背后蛋白质的变化机制是什么呢？为了解开这些谜团，印度科学教育与研究学院莫哈利分校（Indian Institute of Science Education and Research Mohali）的研究人员开展了一项关于机械响应蛋白 Cadherin - 23（Cdh23）的研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们理解蛋白质的力学行为和表型变异提供了重要线索。
研究人员运用了多种技术方法来开展这项研究。其中，磁镊技术（Magnetic Tweezer，MT）是关键技术之一，它能够在微小的机械扰动下，精确地捕捉蛋白质折叠能量景观中的微观状态。此外，研究人员还利用了分子动力学模拟（Molecular Dynamics Simulation），从原子层面探究蛋白质结构和相互作用的变化。
研究结果
- Cdh23 的三种变体作为模型蛋白：研究人员选择了 Cdh23 的第一个细胞外（EC1）结构域的三种变体，即 Cdh23 EC1 (S47)、Cdh23 EC1 (V47) 和 Cdh23 EC1 (P47)。通过分析发现，这三种变体在天然堆积密度、长程氢键网络以及 β 链间的反相关曲轴运动等方面存在差异。例如，V47 变体具有最多的天然接触和最强的分子内相互作用网络，而 P47 变体则相对较弱。从进化角度看，S47 在多数物种中保守，V47 在一些低等脊椎动物中保守，这些低等脊椎动物在特定环境下有着不同的听力需求。而 P47 是突变变体，会导致小鼠进行性听力损失（Progressive Hearing Loss，PHL）。
- 蛋白质的共价连接用于 MT 实验：为了监测蛋白变体对小拉力的响应，研究人员构建了两种嵌合多蛋白构建体（PPCI 和 PPCII），并通过分选酶介导的酶促连接将其共价连接到玻璃盖玻片和磁珠上。以 I27 结构域作为标记，实验发现所有变体都存在多个微观状态。通过对不同变体在不同夹紧力下的末端延伸进行监测，发现 V47 变体对力的耐受性最强，P47 变体最弱，这与之前的研究结果一致。
- 结构域内接触对折叠速率和力耐受性的影响：研究人员通过双步力钳光谱实验，研究了蛋白质变体的折叠动力学。结果发现，P47 变体的内在折叠速率最快，但它对机械张力最为敏感，其折叠自由能垒在受力时增加最为显著；V47 变体则相反，折叠速率最慢，但对力的耐受性最强。这表明蛋白质结构域内的相互作用对其折叠和展开动力学有着重要影响。
- 重复力脉冲作用下的时间依赖性适应与疲劳：研究人员让蛋白质变体在周期性的高低力循环中接受刺激，观察到 P47 变体比 S47 和 V47 变体更频繁地发生直接展开，这与分子疲劳有关。这意味着低力适应性的蛋白质更容易遭受机械疲劳，直接展开可能会使感觉器官暴露在潜在的损伤中。
研究结论与讨论
研究表明，Cdh23 的三种变体虽然静态结构相似，但在力响应方面存在显著差异。V47 变体具有最高的力适应性和延展性，能够在较大的力范围内保持结构稳定；而 P47 变体则对力最为敏感，其力学特性可能与 PHL 疾病表型相关，这为研究年龄相关性听力损失（Age - related Hearing Loss，ARHL）提供了潜在的机制。然而，之前的研究发现，Cdh23 与原钙粘蛋白 15（protocadherin 15）形成的复合物会影响其力学响应，因此后续还需要进一步研究复合物对 Cdh23 EC1 变体微观状态的影响。
这项研究的重要意义在于，它揭示了机械响应蛋白在力驱动下的随机折叠动力学机制，为理解基因型与表型之间的力学关系提供了理论依据。同时，研究结果也有助于我们深入了解听力损失等相关疾病的发病机制，为开发新的治疗方法提供了潜在的靶点和方向。未来，随着研究的不断深入，有望在听力保护和相关疾病治疗方面取得新的突破。
