共翻译折叠的路径调控机制：核糖体出口隧道与翻译速度对蛋白质折叠途径的协同调控

研究人员针对体内共翻译折叠(CTF)与体外自由折叠(FF)的微观机制差异，开发了通用蛋白质共翻译折叠(GPCTF)模拟框架，通过8毫秒分子动力学模拟揭示：CTF使新生肽链形成更多α螺旋、更少非天然相互作用的初始结构，并通过翻译速度调控不同折叠路径的比例。该研究为理解体内蛋白质折叠机制提供了重要理论依据。

　　

蛋白质折叠是生命科学的核心谜题之一，虽然AlphaFold2已能准确预测蛋白质结构，但关于"蛋白质如何快速折叠"这一关键问题仍待解答。传统研究多基于体外自由折叠(FF)实验，而真实细胞中蛋白质是在核糖体上边翻译边折叠的共翻译折叠(CTF)过程。已有实验显示CTF与FF存在显著差异，如同义密码子替换会影响蛋白质三级结构，但造成这些差异的微观机制始终成谜。

华中科技大学的研究团队在《Communications Chemistry》发表研究，通过创新开发的通用蛋白质共翻译折叠(GPCTF)模拟框架，首次系统揭示了CTF的路径调控机制。该研究选择三种不同拓扑结构的模型蛋白(GTT、NTL9和HOME)，通过简化核糖体出口隧道(RET)模型和翻译过程，累计完成超过8毫秒的分子动力学模拟，捕获357个折叠事件，成为迄今规模最大的CTF模拟研究。

研究采用的关键技术包括：1)构建保留几何特性的简化RET刚性隧道模型；2)通过定时移动隧道模型模拟不同翻译速度(2-100 ns/残基)；3)应用ff14sbonlysc力场结合GB-neck2隐式溶剂模型；4)开发共释放折叠(CRF)对照实验分离RET与翻译过程效应；5)基于Φ值分析和层次聚类鉴定折叠路径。

CTF提供螺旋富集的初始结构

通过分析新生肽离开隧道时的结构特征，发现CTF形成的α螺旋数量显著多于FF，而β折叠比例更低。例如NTL9在所有翻译速度下CTF的螺旋平均占比(AP_Helix)均高于FF，且慢速翻译促进更多螺旋形成，呈现饱和效应。

CTF减少长程接触

接触分析显示CTF能有效控制长程相互作用。GTT在CTF下形成的天然接触(AP_nat)和非天然接触(AP_non)均少于FF；而α+β蛋白NTL9的AP_nat更高、AP_non更低，显示CTF使其更接近天然构象。所有蛋白在CTF下都表现出短程接触增加、长程接触减少的特征模式。

路径调控机制

通过Φ值聚类分析发现，虽然CTF与FF遵循相同折叠路径，但各路径比例受翻译速度调控。以全β蛋白GTT为例，其折叠路径可分为C末端Sheet3先形成的Path I和N末端Sheet1先形成的Path II，CTF倾向于选择折叠更快的Path I(中位折叠时间163.2 ns vs 198.9 ns)。类似地，α蛋白HOME的快速折叠路径(Path I)在CTF中比例显著增加，而因T23和L27过早形成螺旋导致慢速折叠的Path II被抑制。

RET与翻译过程的解耦效应

CRF对照实验表明，螺旋富集主要源于RET的空间限制，而路径比例变化更多受翻译速度调控。例如HOME在CTF-20中Path II比例比CRF低33%，而在CTF-100中仅低56%，显示翻译速度的关键调节作用。

该研究首次从原子尺度揭示了CTF的路径调控机制：通过形成螺旋富集、长程接触减少的初始结构，并优化折叠路径比例，使蛋白质避免陷入能量陷阱。这一发现合理解释了为何简单蛋白(如I27和SH3)的CTF与FF路径差异较小，而复杂蛋白(如HaloTag和T4)则可通过CTF避免错误折叠。研究建立的GPCTF框架虽在RET模型精度和翻译速度范围存在局限，但其高效性和普适性为后续研究提供了重要工具。这项工作不仅深化了对体内蛋白质折叠规律的认识，也为理性设计翻译调控策略以优化蛋白质生产提供了理论依据。