小热休克蛋白客户隔离机制与诱导多分散性的结构解析

编辑推荐：为阐明sHSPs（small heat shock proteins）如何通过动态多聚体组装捕获变性蛋白客户（client），研究人员通过高分辨率冷冻电镜（cryo-EM）解析了Methanocaldococcus jannaschii的sHSP（mjHSP16.5）在apo状态及客户结合状态下的结构，揭示了NTD（N-terminal domain）和CTD（C-terminal domain）介导的“极化组装”机制，为蛋白质错误折叠疾病（如阿尔茨海默病、帕金森病）的干预策略提供新靶点。

　　在细胞面临热应激或氧化损伤时，蛋白质错误折叠和聚集是导致阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性疾病的关键因素。小热休克蛋白（sHSPs）作为细胞内的“第一响应者”，能通过ATP非依赖的“holdase”机制捕获变性蛋白客户（client），防止其聚集。然而，sHSP/client复合物的极端结构可塑性和多分散性长期阻碍其分子机制的解析。来自美国俄勒冈健康与科学大学的研究团队以超嗜热古菌Methanocaldococcus jannaschii的sHSP（mjHSP16.5）为模型，通过高分辨率冷冻电镜（cryo-EM）首次捕获了apo状态及客户（溶菌酶）结合状态下的多聚体结构 ensemble，相关成果发表于《Nature Communications》。

研究采用冷冻电镜单颗粒分析（single-particle cryo-EM）、3D变异性分析（3DVA）、动态光散射（DLS）和负染电镜（NS-EM）等技术，结合NTD苯丙氨酸（Phe）突变体（mj-1x/mj-3x/mj-6x）的功能验证，系统阐明了sHSP的组装与客户捕获机制。

Structural plasticity of the mjHSP16.5 apo-state is coupled to the NTD
研究发现，mjHSP16.5的apo状态存在收缩（2.50 ?）和扩展（2.35 ?）两种24聚体笼状结构，其动态性主要由NTD的螺旋-转角-β片层拓扑驱动。温度升至75°C仅轻微增加NTD灵活性，表明该古菌sHSP的激活依赖亚基交换而非整体构象重排。

Conserved phenylalanine-rich regions of the NTD mediate oligomeric assembly and stability
NTD的芳香区（Phe2/7/11）和保守区（Phe15/18/19）突变实验显示，6个Phe同时突变（mj-6x）会导致寡聚体解聚为环状或纤维网络，证实这些残基通过疏水效应维持24聚体稳定性。

Client-induced polydispersity of mjHSP16.5
溶菌酶结合后，sHSP复合物流体力学半径（R_h）从6.0 nm（apo）增至8.5 nm，负染电镜显示其形态从均一笼状变为延展簇状，多分散性显著增加（p<0.0005）。

Cryo-EM resolved an ensemble of chaperone/client complexes
冷冻电镜解析出24-mer（2.6 ?）、26-mer（3.7 ?）、32-mer（4.4 ?）、34-mer（4.7 ?）和36-mer（4.0 ?）五种客户结合状态。其中26-mer通过4-fold窗口/3-fold轴的新几何特征实现亚基插入，内部空腔容积扩大至100 nm³（可容纳1个溶菌酶），而36-mer容积达140 nm³（理论可结合6个客户）。

CTD flexibility enables client-induced sHSP polydispersity
比较结构显示，CTD的IXI基序存在“向上”和“向下”两种构象（偏差达10 ?），通过动态拴系ACD二聚体形成4-fold窗口或5-fold轴等非经典几何特征，而ACD二聚体界面（112-133 ?²）和ACD/CTD相互作用（644-669 ?²）保持稳定，证实sHSP的多分散性源于CTD柔性而非核心破坏。

Client-induced sHSP polarized destabilization directs chaperone elongation
局部分辨率分析发现，客户结合后26-mer的4-fold轴附近分辨率最高（3-4 ?），沿延伸支架递减至9-10 ?，表明客户通过局部去稳定化驱动“极化组装”——即亚基/client单元沿极性方向逐步插入。

该研究提出“极化组装”和“种子组装”双模型，揭示了sHSP通过NTD/CTD协同作用实现客户捕获的分子逻辑。其意义在于：（1）为sHSP在神经退行性疾病、白内障等病理中的作用提供结构基础；（2）阐明多分散性增强客户容量的物理机制；（3）靶向NTD保守Phe或CTD动态性可能成为干预蛋白质聚集疾病的新策略。