2022-08-06

Sci Adv | 肽合成酶通过全局动力学感知调控信息

原创 图灵基因 图灵基因 2022-08-06 11:05 发表于江苏

收录于合集#前沿分子生物学机制

Johns Hopkins Medicine的科学家们报告说，他们已经探测了蛋白质的原子结构，以证明蛋白质的摆动、摇晃和颤动在其功能中发挥着关键作用。该团队表示，研究结果可能有助于科学家设计新的药物，以改变或破坏蛋白质错综复杂的“dances”，从而改变其功能。

约翰霍普金斯大学医学院生物物理学和生物物理化学副教授Dominique Frueh博士及其同事在《Science Advances》上的一篇题为“Global protein dynamics as communication sensors in peptide synthetase domains”的论文中报告了他们的发现。在他们的报告中，该团队得出结论：“我们证明了蛋白质内的结构波动能够通过感知结合伙伴的翻译后修饰来促进相互作用，并伴随着远处位点的重塑，从而实现分子识别。”

蛋白质是一种有机化合物，其蓝图存在于DNA中，起着生物学“business ends”的作用，与酶一起构成组织的结构成分，协调细胞内的化学变化。

Frueh说，人们早就知道蛋白质会摆动和移动，但科学家们一直在争论这种“dancing”行为的重要性。“蛋白质在正确的时间与正确的伙伴接触的方式——本质上是它们如何交流——对于理解它们的功能非常重要。”他指出，“我们发现蛋白质摆动对于这种交流至关重要。”

为了进一步了解这一点，Frueh的团队研究了HMWP2蛋白的摆动作用，这是一种称为非核糖体肽合成酶（NRPS）的酶。这些酶由几个结构域或不同区域组成，它们像流水线一样协同工作，从小化学物质中制造复杂的天然产物。这些天然产物通常具有药物特性，例如在局部抗生素软膏中发现的杆菌肽。Frueh认为，了解蛋白质结构域如何协同工作可以使科学家们修改这些结构域，使它们产生新的化学物质。

“NRP是一种微生物分子工厂，它使用动态多域结构将简单的底物组装成复杂的天然产物，包括抗生素（杆菌肽）、抗癌剂（埃博霉素）或免疫抑制剂（环孢素）等药物。”该团队继续说道。就HMWP2而言，其产物是耶尔森菌素，一种为细菌清除铁分子的分子，包括在尿路感染中发现的大肠杆菌和鼠疫耶尔森菌，一种引起淋巴腺鼠疫的细菌。

为了确定蛋白质运动的重要性，科学家们利用核磁共振（NMR）光谱跟踪了HMWP2的一个域到分子中每个原子的运动，该光谱使用强大的磁场来探测原子中心内原子核的分子环境。

尽管NMR通常用于确定小蛋白质结构，但很难使用该设备跟踪大蛋白质内部的运动。为了克服这一挑战，Frueh的团队，包括NMR科学家Subrata Mishra博士、研究生Kenneth Marincin和博士后Aswani Kancherla博士，使用氮15和碳13（氮和碳的天然存在形式）来标记HMWP2酶的两个结构域，并在第二个结构域被修饰时跟踪一个结构域的运动变化，正如酶产生其天然产物时所发生的那样。研究结果发现，HMWP2酶启动中一个结构域的广泛摆动启动了一个过程，使该结构域能够同时与多个伙伴结构域连接。

“我们发现，这两个域只有在第二个域被修改时才会相互绑定，这意味着它们只会根据制造产品的需要参与，避免在第二个域未被修改时在一起浪费时间。”Frueh指出，“不知何故，第一个域能够感知第二个域何时被修改，我们试图研究运动是否在这个识别过程中发挥了作用。”

研究人员还发现，碳-13c标记的整个结构域的运动变化，不仅发生在该结构域与第二个结构域结合的地方，而且在第三个结构域使用的第二个远程结合位点。Frueh指出，在原子水平上，HMWP2上的这两个位置可以被认为相距“很远”——大约400亿分之一米。尽管距离遥远，但它们之间的相互作用对科学家们来说尤其有趣。

为了证明运动促进了与远程位点的相互作用和对第二个结构域修饰的感知，他们对HMWP2蛋白进行了基因工程，该蛋白在远离科学家已确定的两个位点的结构域上的一个位置发生了突变。因此，突变并没有直接阻断这些位点与其他结构域相互作用的能力。

“利用核磁共振（NMR）原子级生物化学转换读数，我们证明了整体结构波动有助于促进底物依赖性通讯和变构反应，而通过点位突变阻止这些全局动态会阻碍变构和分子识别。”他们写道。

Frueh补充道：“我们发现蛋白质结构域在结构上是稳定的，但它的所有运动都受到了阻碍。研究人员表示，即使对其他结构域进行了修饰，突变蛋白质缺乏运动也会损害其与其他结构域结合的能力，这表明蛋白质内部的运动对于这些结构域协同工作是必要的。

研究人员在他们的报告中说：“我们的研究将整体结构动态确立为分子事件的传感器，并为理解分子通信带来了新的视角。我们证明，蛋白质内的结构波动通过感知结合伙伴的翻译后修饰来促进相互作用，并伴随着远处位点的重塑，从而实现分子识别……总的来说，我们的研究结果确立了整体结构波动作为变构的报告者和蛋白质修饰的传感器，确保在生物活性期间及时进行蛋白质相互作用。”

Frueh建议，科学家们可以利用蛋白质运动的详细知识来设计新药，这些药物不靶向蛋白质的天然活性位点，而是停止其运动以使其失活。他指出，这种方法可以为设计副作用更少的药物提供更多的余地。Frueh补充道，为此，研究人员正在研究计算和人工智能如何提高对蛋白质运动的理解和预测。

作者认为，他们的结果“……突出了将动态蛋白质中的诱变结果解释为点突变的挑战，因为点突变不能仅通过局部效应来解释，例如，通过考虑其如何影响结合位点。相反，突变将沙子抛入复杂动力学的齿轮中，并在整体范围内影响蛋白质……我们的方法适用于其他系统，说明了跟踪动态变化如何揭示变构机制，因为分子内的结构波动产生了用于描述变构的构象群。”