拓扑决定蛋白折叠动态：变构蛋白的比较分析 —— 解锁蛋白折叠机制的新视角

《Biology Direct》：Topological determinants in protein folding dynamics: a comparative analysis of metamorphic proteins

为解决蛋白质折叠机制及序列与拓扑结构在其中的作用问题，研究人员对工程变构蛋白 B4 和 Sb3 展开折叠机制研究。结果发现二者虽序列相似但折叠机制不同，拓扑结构在折叠早期起决定作用。该研究为理解蛋白折叠提供新视角。

　　在生命科学领域，蛋白质就像一个个神秘的 “小精灵”，它们的折叠过程充满了奥秘。蛋白质折叠，简单来说，就是多肽链从无序的变性状态转变为具有特定功能的天然构象的过程。然而，这一过程却让科学家们十分头疼。一方面，从氨基酸序列预测蛋白质结构就像在复杂迷宫中寻找出口，困难重重；另一方面，详细了解多肽链如何达到其天然功能构象的机制，更是一个巨大的挑战。尽管 AlphaFold 人工智能工具在蛋白质结构预测方面取得了重大突破，但揭示蛋白质从变性状态到天然状态的折叠过程仍然是分子生物学领域的一个难题。

而且，蛋白质折叠异常与多种人类疾病密切相关，比如阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性疾病，就与蛋白质的错误折叠紧密相连。所以，深入研究蛋白质折叠机制，不仅能帮助我们理解生命的基本过程，还有助于开发治疗相关疾病的新方法。

为了揭开蛋白质折叠的神秘面纱，来自意大利罗马第一大学（Sapienza Università di Roma）的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们把目光聚焦在工程变构蛋白 B4 和 Sb3 上，这两种蛋白有着高度相似的序列，却呈现出截然不同的拓扑结构。研究人员通过一系列实验，深入探究了它们的折叠机制，最终得出结论：拓扑结构在蛋白质折叠过程中起着决定性作用，蛋白质在折叠早期就对特定的天然状态做出了 “选择”。这一研究成果发表在《Biology Direct》杂志上，为我们理解蛋白质折叠机制提供了全新的视角。

研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：一是通过定点突变（site-directed mutagenesis）构建不同的蛋白变体，如 Sb4 变体；二是利用停流（stopped-flow）技术监测蛋白质的折叠和去折叠动力学过程；三是采用时间分辨荧光监测技术，在不同 pH 条件下研究蛋白质的折叠行为。

研究结果

1. B4 和 Sb3 折叠机制存在差异：研究人员对 B4 和 Sb3 进行停流（去）折叠动力学实验，在不同盐酸胍（GdnHCl）浓度溶液中稀释蛋白，监测荧光发射随时间的变化。结果发现，B4 遵循两态折叠机制，而在添加 0.3 M Na₂SO₄稳定蛋白后，Sb3 的折叠出现中间态，呈现三态折叠机制，这表明二者折叠机制不同。
2. B4 和 Sb3 折叠途径早期存在分歧：研究人员在不同 pH 条件下对 B4 和 Sb3 进行时间分辨荧光监测（去）折叠实验。结果显示，B4 的折叠对 pH 变化敏感，在 pH 4.5 - 7.0 范围外，其去折叠受显著影响；而 Sb3 的中间态对 pH 变化不敏感，在不同 pH 条件下，其折叠和去折叠曲线变化不大。这说明 Sb3 的中间态与 B4 的天然构象结构不同，二者折叠途径在早期就发生了分歧。
3. Sb4 的独特折叠行为揭示拓扑结构的作用：研究人员对 Sb3 的 Y5L 突变体 Sb4 进行研究，发现 Sb4 能同时呈现 B4 和 Sb3 的构象。在时间分辨折叠实验中，Sb4 表现出双指数行为，其折叠行为反映了 B4 和 Sb3 的特征。在不同 pH 条件下，Sb4_B-fold 的去折叠受碱性 pH 影响，类似 B4；Sb4_S-fold 的（去）折叠和中间态受 pH 影响小，类似 Sb3。这表明即使氨基酸序列相同，不同的拓扑结构也会导致不同的折叠途径。

研究结论和讨论

该研究通过对 B4、Sb3 和 Sb4 蛋白的比较分析，有力地证明了蛋白质拓扑结构在决定折叠机制方面起着关键作用。尽管 B4 和 Sb3 序列相似，但它们的折叠途径却大相径庭，Sb4 的双重折叠行为也进一步证实了蛋白质在折叠早期就确定了特定的天然状态。这些发现表明，最终的拓扑结构所施加的结构约束对蛋白质的折叠景观有着显著影响。

这一研究成果为蛋白质折叠领域提供了重要的理论依据。它不仅加深了我们对蛋白质折叠机制的理解，还为未来研究蛋白质结构与功能的关系提供了新的思路。从更广泛的角度来看，该研究有助于我们进一步探索蛋白质错误折叠与相关疾病之间的联系，为开发针对这些疾病的治疗策略奠定了基础。