GroEL及其线粒体和叶绿体同源物的C端尾部采用多聚脯氨酸II螺旋结构

《Protein Science》：The C-terminal tails of GroEL and its mitochondrial and chloroplastic homologs adopt polyproline II helices

本研究通过圆二色光谱、核磁共振和分子动力学模拟，揭示了GroEL、mHsp60和Cpn60的C末端无序结构中存在高比例的聚丙氨酸II（PPII）螺旋，并探讨了其功能重要性及不同亚基的结构差异。

　　### 研究背景与意义

在生物体内，蛋白质的正确折叠对于其功能实现至关重要。然而，许多蛋白质在折叠过程中会经历复杂的构象变化，这些变化通常受到多种因素的调控，包括环境条件、与其他分子的相互作用以及自身的结构特征。Chaperonins（分子伴侣）是一类在所有生物界中广泛存在的蛋白质折叠机器，它们通过隔离新生多肽链在空心的内部腔室中，并利用ATP驱动的构象变化来促进蛋白质的正确折叠。GroEL是大肠杆菌中最著名的分子伴侣之一，其结构由七个亚基组成，每个亚基包含三个折叠的结构域。在GroEL的C端，存在一个约25个残基的延伸部分，该部分在X射线晶体学和冷冻电镜（CryoEM）分析中常被描述为无序结构，但在近年来的研究中，人们发现其在某些条件下具有重要的生物学功能。

为了深入理解这些C端延伸部分的功能，本研究利用圆二色光谱（CD）、核磁共振（NMR）以及分子动力学（MD）模拟等技术，对GroEL、其线粒体同源物mHsp60和叶绿体同源物Cpn60的C端结构进行了系统分析。研究发现，这些延伸部分并非完全无序，而是表现出一定的结构偏好，尤其是在富含甘氨酸和蛋氨酸的区域中，倾向于形成聚脯氨酸II（PPII）螺旋结构。这些发现不仅有助于揭示分子伴侣C端结构的生物学功能，也为理解其他类似结构的蛋白质提供了新的视角。

### 研究内容与方法

本研究的主要目标是通过实验和计算方法，评估GroEL、mHsp60以及Cpn60的C端延伸部分是否具有PPII螺旋结构。首先，通过CD光谱分析，研究了这些延伸部分在不同温度下的结构变化。结果显示，在低温条件下，这些延伸部分表现出明显的PPII螺旋特征，而在高温下则显示出一定的结构变化趋势。接着，利用NMR光谱对延伸部分的化学位移和耦合常数进行了分析，进一步验证了其可能的结构偏好。

为了更全面地理解这些结构的变化，研究还进行了分子动力学模拟。通过构建GroEL7·GroES7复合物的不同状态，包括ADP或ATP结合、以及与客户蛋白（如HP35）结合的情况，模拟了这些C端延伸部分在不同环境下的行为。模拟结果显示，这些延伸部分在ATP结合状态下表现出更高的PPII螺旋含量，而在ADP结合状态下则略有下降。此外，当客户蛋白存在时，PPII螺旋结构的稳定性受到影响，显示出部分解离的趋势。

### 结果与讨论

研究发现，GroEL和mHsp60的C端延伸部分由两个主要区域组成：一个是富含内在无序蛋白（IDP）特征的残基序列，另一个则是几乎全部由甘氨酸和蛋氨酸组成的区域。通过CD和NMR数据的分析，发现这些延伸部分并非完全无序，而是表现出一定程度的结构偏好，尤其是在甘氨酸和蛋氨酸富集的区域中，PPII螺旋的含量较高。这与以往认为这些区域为无序结构的观点相矛盾，表明其在某些条件下可能具有特定的结构特征。

此外，研究还发现，叶绿体中的Cpn60同源物虽然也含有C端延伸部分，但它们的结构特征与GroEL和mHsp60有所不同。Cpn60的C端延伸部分富含脯氨酸，而甘氨酸含量较低，这使得它们在结构上更倾向于形成PPII螺旋。这一发现表明，不同类型的分子伴侣可能通过不同的机制来实现其功能，而这些机制可能与其C端延伸部分的结构特征密切相关。

在模拟过程中，研究发现，当C端延伸部分被预先组装为PPII螺旋双层结构时，其在ATP结合状态下表现出较高的结构稳定性。而在ADP结合状态下，虽然结构稳定性略有下降，但仍然能够维持一定的PPII螺旋含量。这一结果表明，ATP的结合可能在一定程度上促进了这些结构的形成和维持，但并非唯一决定因素。此外，当客户蛋白存在时，PPII螺旋结构的稳定性受到影响，显示出部分解离的趋势，这可能与客户蛋白与C端延伸部分的相互作用有关。

### 分子伴侣C端结构的功能分析

C端延伸部分在分子伴侣功能中扮演着重要角色。它们不仅能够促进客户蛋白的正确折叠，还能防止客户蛋白从分子伴侣的底部逃逸。这一功能的实现可能依赖于C端延伸部分的结构特性，尤其是在形成PPII螺旋时的构象变化。通过实验和模拟的结合，研究发现，C端延伸部分在不同的环境条件下表现出不同的结构偏好，这可能与其所处的生物环境密切相关。

例如，在GroEL7·GroES7复合物中，C端延伸部分在ATP结合状态下表现出更高的结构稳定性，而在ADP结合状态下则有所下降。这表明ATP的结合可能在某些情况下促进了这些结构的形成，从而增强了其功能。此外，当客户蛋白存在时，C端延伸部分的结构稳定性受到影响，显示出部分解离的趋势。这种解离可能有助于客户蛋白与C端延伸部分的相互作用，从而促进其折叠过程。

研究还发现，C端延伸部分的结构特征可能与其所处的生物环境有关。例如，GroEL的C端延伸部分在不同的温度条件下表现出不同的结构偏好，这可能与其所处的环境温度有关。而在叶绿体中的Cpn60，其C端延伸部分则更倾向于形成PPII螺旋，这可能与其特定的生物学功能有关。

### 结论与展望

综上所述，本研究揭示了分子伴侣C端延伸部分在不同条件下的结构特性，尤其是其在形成PPII螺旋方面的潜力。这些结构特征不仅有助于理解分子伴侣的功能机制，也为研究其他类似结构的蛋白质提供了新的思路。未来的研究可以进一步探索这些结构特征在不同生物环境中的表现，以及它们如何影响分子伴侣的整体功能。此外，研究还可以扩展到其他类型的分子伴侣，以了解其C端延伸部分的普遍性及其在不同生物过程中的作用。