HSPB8-K141E突变致病机制解析：基于smFRET与分子模拟的构象动态研究

本研究针对分子伴侣蛋白HSPB8的致病突变K141E，通过单分子荧光共振能量转移（smFRET）和大规模全原子分子动力学模拟，揭示了该突变通过增强蛋白构象灵活性、破坏盐桥网络导致功能紊乱的分子机制。研究发现高离子强度下突变体呈现更延伸的构象集合，并首次应用贝叶斯最大熵重加权技术验证了模拟与实验数据的一致性，为神经肌肉疾病相关突变研究提供了新范式。

　　

蛋白质稳态守护者的突变危机
在细胞这个精密运转的"蛋白质工厂"中，分子伴侣如同质检员，时刻监控着蛋白质折叠状态。其中，小热休克蛋白家族成员HSPB8与辅伴侣BAG3、HSP70形成复合物，专门负责清除错误折叠蛋白——这一功能对神经元和肌肉细胞尤为重要。然而，当HSPB8的α-结晶蛋白结构域（ACD）发生K141E突变时，会导致远端遗传性运动神经病（distal HMN）和腓骨肌萎缩症2L型（CMT2L），但具体致病机制始终成谜。

多尺度研究揭示突变效应
研究人员采用单分子荧光共振能量转移（smFRET）技术，通过双半胱氨酸突变体（10-195、99-195、10-99）标记Cy3B/CF660R荧光对，在0-165 mM KCl梯度下测量分子内距离变化。同步进行5×1 μs全原子分子动力学模拟，采用Amber99sb-disp力场和TIP4PD水模型，结合新型FRETpredict算法计算染料可及空间。创新性地应用贝叶斯最大熵（BME）重加权技术，首次实现了模拟与实验数据的动态校准。

构象动态的离子依赖性
smFRET实验显示：在生理离子强度（165 mM）下，K141E突变体出现0.45的次级FRET峰，对应更延伸的构象状态，而野生型主要保持0.6的主峰。荧光寿命分析证实突变体存在更宽的距离分布（σ²增加37%），符合高斯链模型（SAW-ν）描述的动态波动特征。

分子模拟发现：突变导致ACD结构域盐桥网络重构，特别是E141与R140的静电排斥使β6-β7转角稳定性下降。重加权后的半径分布显示，突变体在165 mM NaCl时R_g增加12%（3.4→3.8 nm），与smFRET推算的端到端距离变化一致。

功能紊乱的结构基础
通过比较野生型与突变体的盐桥寿命发现：K141E导致关键离子对（K141-E131、K141-D109）的占据率下降60%，而新形成的E141-R140相互作用寿命仅0.5 ns。这种动态失衡解释了突变体与BAG3结合减弱（实验测得K_d增加3倍）的分子机制。

从分子抖动到疾病表型
研究首次证实离子强度可调控IDP（内在无序蛋白）的构象选择——生理盐浓度下，K141E突变通过破坏ACD结构域的静电平衡，产生两种致病效应：①降低与错误折叠蛋白的亲和力；②削弱二聚体界面稳定性。这完美解释了患者组织中蛋白聚集现象，也为开发离子环境调节剂提供了新靶点。

这项发表于《Cell Stress and Chaperones》的研究，通过多尺度技术揭示了IDP突变致病机制的动态本质，建立了"构象熵-分子功能-疾病表型"的定量关联，为神经退行性疾病的精准干预开辟了新思路。