肌肉中的“弹性开关”：脯氨酸异构化与二硫键如何调控Titin蛋白的力学性质？

《Nature Communications》：Mechanically weak and highly dynamic state of mechanosensitive titin Ig domains induced by proline isomerization

本研究聚焦Titin蛋白Ig结构域的力学稳定性调控机制，通过单分子磁镊技术揭示了脯氨酸异构化（Proline Isomerization）和二硫键（Disulfide Bond）对Titin Ig结构域力学性质的精细调控，为理解肌肉力学稳态提供了重要见解。

　　在肌肉的微观世界中，有一种名为Titin的巨型蛋白，它像一根神奇的弹性绳索，连接着肌肉细胞内的关键结构，维持着肌肉的力学稳态。然而，Titin蛋白的Ig结构域在生理力作用下如何实现动态力学调控，一直是科学界关注的焦点。近日，厦门大学的研究人员通过单分子磁镊技术，深入探究了Titin蛋白Ig结构域的力学稳定性调控机制，揭示了脯氨酸异构化和二硫键在其中的关键作用，为理解肌肉力学功能提供了新的视角。

肌肉的每一次收缩与舒张，都离不开Titin蛋白的精确调控。Titin蛋白的I带区域含有大量Ig结构域，这些结构域在生理力作用下会发生可逆的展开与折叠，从而吸收和释放能量，维持肌肉的弹性。然而，这些Ig结构域的力学稳定性并非一成不变，它们受到多种因素的调控，其中脯氨酸异构化和二硫键的形成尤为关键。

为了深入探究这些调控机制，厦门大学的研究人员精心设计了一系列单分子磁镊实验。他们构建了包含Titin Ig1结构域的蛋白片段，并将其固定在磁性微珠和基底之间。通过精确控制施加在蛋白上的力，研究人员实时监测了Ig1结构域在不同力作用下的展开与折叠行为。实验结果显示，脯氨酸异构化使得Ig1结构域存在两种不同的天然状态：顺式（Cis）和反式（Trans）。顺式状态的Ig1结构域具有较高的力学稳定性，其展开力约为61.7 ± 5.3 pN；而反式状态的Ig1结构域则较为脆弱，展开力仅为5.3 ± 0.9 pN。此外，在氧化状态下，Ig1结构域的二硫键形成会进一步影响其力学稳定性，使得顺式状态的稳定性略有下降，而反式状态的稳定性则有所增强。

研究人员进一步通过力跳变实验，定量分析了Ig1结构域在不同状态下的展开与折叠速率。结果显示，无论是顺式还是反式状态，Ig1结构域在还原状态下均表现出“抓-滑”（Catch-Slip）的力学行为，即在低力范围内，随着力的增加，展开速率降低（抓），而在高力范围内，展开速率随力增加而升高（滑）。这种复杂的力学行为可以通过一个具有力依赖性灵活转变距离的单路径模型来解释。在氧化状态下，Ig1结构域的展开行为更加复杂，呈现出“滑-抓-滑”（Slip-Catch-Slip）的模式，这可能是由于二硫键稳定了一个隐藏的中间态。

此外，研究人员还发现，脯氨酸异构化和二硫键的形成对Ig1结构域的热稳定性也有显著影响。在顺式状态下，氧化状态的Ig1结构域的零力折叠自由能（ΔG₀）略高于还原状态，而在反式状态下，氧化状态的ΔG₀则显著高于还原状态。这表明二硫键的形成对反式状态的热稳定性影响更大。通过这些实验数据，研究人员还估算了脯氨酸异构化的自由能差异，发现其在还原和氧化状态下均约为3 kBT，略高于之前对其他蛋白的研究结果。

为了验证这一调控机制是否在其他Ig结构域中也普遍存在，研究人员选取了另一个含有顺式脯氨酸的Ig结构域（Ig-like 32）进行实验。结果表明，Ig-like 32也表现出类似的现象，即存在两种不同的力学状态，进一步证实了脯氨酸异构化在Titin蛋白Ig结构域中的普遍性。

本研究不仅揭示了Titin蛋白Ig结构域在生理力作用下的动态力学调控机制，还为理解肌肉在生理条件下的力学功能提供了新的理论依据。这些发现对于深入理解肌肉疾病的发病机制以及开发相关治疗策略具有重要意义。论文发表于《Nature Communications》杂志，为生物力学领域的研究提供了新的视角和方法。在研究过程中，研究人员主要采用了单分子磁镊技术，通过精确控制和测量蛋白在不同力作用下的行为，揭示了隐藏在肌肉微观结构中的力学调控奥秘。