真核翻译延伸因子eEF1A1与eEF1A2的结构动态差异揭示其功能特异性分子基础

《Nucleic Acids Research》：Dynamics and structural features of the eEF1A1 and eEF1A2 paralogs

本研究针对高度同源（序列相似性达97%）的真核翻译延伸因子eEF1A1与eEF1A2在疾病关联和蛋白互作中表现出的功能差异，通过整合氢氘交换质谱（HDX-MS）、分子动力学（MD）模拟和小角X射线散射（SAXS）技术，揭示eEF1A1具有多构象态和动态结构特性，易于形成D2-D2介导的二聚体，而eEF1A2则呈现稳定紧凑的单体构象。该发现为理解二者在翻译及非翻译过程中差异功能的分子机制提供了结构依据，对神经发育疾病和癌症等疾病的靶向治疗具有启示意义。

　　

在真核生物的蛋白质合成过程中，翻译延伸因子eEF1A负责将氨酰-tRNA准确递送至核糖体A位，是维持翻译准确性和效率的关键蛋白。在高等脊椎动物中，存在两个高度同源的eEF1A亚型——eEF1A1和eEF1A2，它们共享92%的序列同一性和97%的相似性，却在人体组织中呈现互斥的表达模式。尽管它们在蛋白质合成中功能相似，但与截然不同的疾病相关联：eEF1A2的突变与发育性和癫痫性脑病密切相关，而eEF1A1则更多地在癌症发生和发展中扮演角色。科学家们推测，这些功能差异可能源于二者在结构动态或相互作用网络上的细微差别，然而，由于eEF1A1难以结晶，其精细三维结构一直未被解析，使得二者功能差异的结构基础迷雾重重。

为了揭示这对“分子双胞胎”的差异奥秘，发表在《Nucleic Acids Research》上的这项研究，综合运用了氢氘交换质谱（HDX-MS）、微秒级分子动力学（MD）模拟和小角X射线散射（SAXS）等多种生物物理技术，系统比较了eEF1A1和eEF1A2在溶液中的结构特征和动态行为。

研究人员首先利用分子动力学模拟对两种蛋白进行了长时间尺度的构象采样。模拟结果显示，eEF1A1的结构表现出显著的不稳定性，其三个结构域（D1, D2, D3）之间容易发生“开放”事件，即D1与D3域之间的距离增大，构象空间扩展。与此形成鲜明对比的是，eEF1A2在整个模拟过程中始终保持其初始的紧凑折叠状态，构象波动远小于eEF1A1。

氢氘交换质谱（HDX-MS）实验为这种动态差异提供了更精细的图谱。HDX-MS通过测量蛋白质主链酰胺氢与氘水的交换速率来反映蛋白质结构的动态性和溶剂可及性。研究发现，eEF1A2的整体氘摄取率显著低于eEF1A1，表明其结构更为刚性，内部氢键网络更稳定。一个关键的发现是，eEF1A1-GDP的质谱图中，许多肽段的同位素峰出现了明显的双峰分布（双模态），这意味着溶液中存在两种交换速率不同的蛋白质构象群体。

通过对双峰演化动力学的深入分析，研究人员区分出两种不同的交换机制。在D1和D3结构域的界面区域，氘交换遵循EX1机制，即氢交换的发生依赖于蛋白质的全局去折叠事件。这提示eEF1A1分子中存在着D1与D3界面“打开”与“关闭”的构象平衡。而在D2结构域的核心区域，氘交换则表现为EX2机制，表明该区域存在两种通过局部动态波动相互转换的构象状态。这种D2结构域的动态性被认为可能促进了eEF1A1分子间的相互作用。

小角X射线散射（SAXS）数据进一步证实了eEF1A1和eEF1A2在溶液中的寡聚化状态存在根本区别。SAXS分析表明，eEF1A2在溶液中主要以紧凑的单体形式存在。而eEF1A1的散射数据则无法用单一的单体模型很好地拟合，最佳拟合模型显示其溶液中存在单体（约15%）和二聚体（约85%）的混合物。通过蛋白质-蛋白质对接和结构优化，研究人员构建了eEF1A1的二聚体模型，其二聚化界面主要由D2结构域之间的相互作用介导。

此外，研究还比较了GDP和GTP结合对两种蛋白构象动态的影响。出乎意料的是，无论是eEF1A1还是eEF1A2，其GDP结合形式与GTP结合形式之间的HDX差异非常微小，仅局限于核苷酸结合域（D1）的少数区域。这表明，与原核生物延伸因子EF-Tu不同，eEF1A的全局构象可能并不因结合GDP或GTP而发生剧烈改变，其构象转变更可能是在与核糖体、交换因子等伙伴分子相互作用时才被诱导发生。

本研究通过多技术整合的策略，清晰地揭示了eEF1A1和eEF1A2这对高度同源蛋白在结构动态上的显著差异：eEF1A1是一个构象异质、动态活跃的蛋白，易于发生域间解离并形成二聚体；而eEF1A2则结构紧凑、构象稳定，在溶液中以单体为主。这种结构动态的差异为理解它们为何会与不同的蛋白伙伴发生互作，进而参与不同的细胞通路和疾病过程提供了分子层面的解释。例如，eEF1A1的D2结构域动态暴露可能为其参与病毒复制、细胞骨架调节等非经典功能提供了结构基础；而eEF1A2的稳定性可能与其在神经元中的特异性功能及其突变导致神经发育障碍的病理机制有关。该研究不仅增进了对蛋白质合成调控的理解，也为未来开发针对特定eEF1A亚型的疾病治疗策略提供了新的思路和靶点。