磷酸化修饰对内在无序蛋白质结构的质谱解析及其生物学意义

本研究通过顶质谱(TD-MS)和离子淌度质谱(IM-MS)技术，系统探究了磷酸化修饰对β-酪蛋白、α-突触核蛋白等内在无序蛋白的结构调控机制。研究发现磷酸化通过形成盐桥促进蛋白质构象紧缩，揭示了该修饰在神经退行性疾病中诱发淀粉样蛋白聚集的结构基础，为PTMs调控蛋白质功能提供了新见解。

　　

蛋白质磷酸化作为最普遍的翻译后修饰之一，在细胞信号传导、膜通道调控乃至神经退行性疾病发生中扮演关键角色。然而，这种修饰如何动态影响蛋白质三维结构，尤其是对缺乏稳定二级结构的内在无序蛋白(IDPs)的构象调控，始终是结构生物学领域的未解之谜。当磷酸化触发α-突触核蛋白异常聚集导致帕金森病时，其结构变化轨迹更成为治疗干预的重要靶点。

美国加州大学洛杉矶分校的Carter Lantz团队在《International Journal of Mass Spectrometry》发表研究，创新性地整合傅里叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR MS)、碰撞激活解离(CAD)、电子捕获解离(ECD)等顶质谱技术，结合离子淌度分离，系统解析了磷酸化对β-酪蛋白、卵清蛋白等模型蛋白及帕金森病相关α-突触核蛋白的结构影响。研究采用商业来源的磷酸化蛋白样本，通过碱性磷酸酶处理获得去磷酸化对照，在正/负离子模式下进行高精度质谱分析。

【表征磷酸化β-酪蛋白】
通过SolariX FT-ICR质谱仪检测发现，天然态β-酪蛋白呈现11+、16+、21+三峰电荷分布，而变性条件下转为16+和22+双峰分布，暗示磷酸化影响蛋白质溶剂可及性。电子诱导解离(EID)精确定位了全部5个磷酸化位点，并首次揭示碱性磷酸酶从N端向C端逐步去磷酸化的酶切特性。

【磷酸化诱导结构紧缩】
离子淌度数据显示，磷酸化使β-酪蛋白、α-酪蛋白和卵清蛋白的碰撞截面积(CCS)减小10-15%，在变性(50%乙腈)和天然条件下均观察到早期漂移峰增强。特别值得注意的是，α-突触核蛋白Ser129磷酸化后，其紧凑构象占比显著提升，这与帕金森病患者脑内该位点高磷酸化特征高度吻合。

【分子机制阐释】
研究提出盐桥形成假说：带负电的磷酸基团与精氨酸等正电残基相互作用，如同"分子订书机"般拉近蛋白质空间距离。这种静电效应在气相和溶液相均能维持，解释了磷酸化普遍促进IDPs构象紧缩的现象。

该研究建立了质谱解析磷酸化-结构-功能关联的新范式，不仅阐明磷酸化通过静电网络调控蛋白质构象的物理机制，更为神经退行性疾病中病理蛋白聚集提供了结构层面的解释。技术层面，FT-ICR MS与IM-MS的联用策略为动态蛋白结构研究树立了新标准，而发现的N→C端去磷酸化规律为酶动力学研究提供了新视角。这些发现对开发靶向磷酸化网络的神经保护药物具有重要指导价值。