新的研究表明，蛋白质部分必须反复摆动才能正常工作

诸平

Structural illustration of the HMWP2 enzyme domains, highlighting two interacting domains (shown in red and blue), the two remote binding sites (yellow stars), and the modification of one domain (green). Credit: Kenny Marincin and Dominique Frueh, Johns Hopkins

Dominique Frueh

Yersiniabactin

据美国约翰·霍普金斯大学医学院（Johns Hopkins University School of Medicine简称Johns Hopkins Medicine）2022年7月15日提供的消息，约翰·霍普金斯大学医学院的科学家们报告说，他们已经探测了蛋白质的原子结构，以进一步证明蛋白质的摇摆、抖动和颤动在它们的功能发挥中发挥着关键作用（Protein parts must wiggle and jiggle to work right, new research suggests）。这项研究的发现可能有助于科学家设计新的药物，这些药物可以修改或破坏蛋白质复杂的“舞蹈”，从而改变它们的功能。相关研究结果于2022年7月15日已经在《科学进展》（Science Advances）杂志网站发表——Subrata H. Mishra, Aswani K. Kancherla, Kenneth A. Marincin, Guillaume Bouvignies, Santrupti Nerli, Nikolaos Sgourakis, Daniel P. Dowling, Dominique P. Frueh.  Global protein dynamics as communication sensors in peptide synthetase domains. Science Advances, 15 Jul 2022, 8(28). DOI: 10.1126/sciadv.abn6549. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn6549

参与此项研究的除了来自约翰·霍普金斯大学医学院的研究人员之外，还有来自美国宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania, Philadelphia, USA）、麻省大学波士顿分校（University of Massachusetts Boston, MA, USA）、加州大学圣克鲁兹分校（University of California, Santa Cruz, Santa Cruz, CA, USA）以及法国巴黎高等师范学校（école normale supérieure）、巴黎理工大学（Paris Sciences et Lettres University简称PSL University/Université PSL）、索邦大学（Sorbonne Université）、法国国家科研中心（CNRS, Paris, France）的研究人员。

蛋白质是在DNA中发现的具有蓝图的有机化合物（organic compounds），是生物学的“商业终端（business ends）”，与酶一起组成组织的结构成分，协调细胞内的化学变化（chemical changes）。

约翰·霍普金斯大学医学院生物物理学（biophysics）和生物物理化学（ biophysical chemistry）副教授多米尼克·弗吕（Dominique Frueh）博士说，虽然人们早就知道蛋白质会扭动和移动，但科学家们一直在争论这种“跳舞”行为的意义。

“从本质上讲，蛋白质在正确的时间与正确的伴侣互动的方式，它们如何交流对于理解它们的功能非常重要，”他说，“我们已经发现，蛋白质摆动对这种交流至关重要。”

为了进一步了解，多米尼克·弗吕的团队研究了HMWP2蛋白的摆动作用，这是一种被称为非核糖体肽合成酶（nonribosomal peptide synthetases）的酶。这些酶由几个结构域(或不同的区域)组成，它们像流水线（assembly line）一样一起工作，用小型化学物质制造复杂的天然产物。

这些天然产品（natural products）通常具有药用特性，如在局部抗生素软膏中发现杆菌肽（bacitracin）。以HMWP2为例，它的产物是耶尔森杆菌素（yersiniabactin），一种清除铁分子以寻找细菌的分子，包括在泌尿道感染（urinary tract infections）中发现的大肠杆菌（Escherichia coli）和导致黑死病（bubonic plague）的鼠疫耶尔森氏菌（Yersinia pestis）。

多米尼克·弗吕说，了解蛋白质结构域（protein domains）如何协同工作可以使科学家修改这些结构域，使它们产生新的化学物质。

总的来说，研究小组发现，HMWP2酶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几个伙伴结构域连接。

为了确定蛋白质运动的重要性，科学家们利用核磁共振(nuclear magnetic resonance 简称NMR)光谱技术跟踪了HMWP2一个结构域的运动，直到分子中的每个原子。核磁共振是一种利用强大磁场探测原子中心内原子核的分子环境的设备。

虽然核磁共振常用于确定小的蛋白质结构，但用该设备跟踪大蛋白质的运动是困难的。为了克服这一挑战，多米尼克·弗吕的团队，包括核磁共振科学家苏布拉塔·米什拉（Subrata Mishra）博士、博士研究生肯尼思·马林辛（Kenneth Marincin）和博士后阿斯瓦尼·坎彻拉（Aswani Kancherla），使用氮-15（¹⁵N）和碳-13(¹³C)自然形成的氮和碳标记HMWP2酶的两个结构域，并跟踪一个结构域在第二个结构域被修改时的运动变化，就像酶产生其自然产物时发生的那样。

多米尼克·弗吕说:“我们发现，只有当第二个域被修改时，这两个域才会相互绑定，这意味着它们只会在制造产品时需要参与，并避免在第二个域未修改时浪费时间。不知怎的，当第二个结构域被修改时，第一个结构域能够感知，我们试图研究运动是否在这个识别过程中发挥了作用。”

他们还发现了¹³C标记的整个结构域的运动变化，不仅在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上。

多米尼克·弗吕说，在原子水平（atomic level）上，HMWP2上的这两个位点可以被认为“非常”远，大约是400亿分之一米。尽管它们相距遥远，但它们之间的相互作用让科学家们特别感兴趣。

为了证明运动促进了与远端位点的相互作用以及对第二结构域修饰的感知，科学家们对HMWP2蛋白进行了基因改造，使其发生突变，而突变的位置与科学家们发现的两个结构域的位置相距很远。因此，突变并没有直接阻止这些位点与其他结构域的交互能力。

“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，”多米尼克·弗吕说。根据研究人员的说法，突变的蛋白质缺乏运动破坏了它与其他结构域结合的能力，即使它们被修改了，这表明蛋白质内的运动对于这些结构域一起工作是必要的。

多米尼克·弗吕指出，科学家们可以利用蛋白质运动的详细知识来设计新的药物，这些药物不针对蛋白质的自然活性部位，而是停止蛋白质的运动以使其失活。他说，这种方法可以为设计副作用更少的药物提供更多余地。

为了这个目的，多米尼克·弗吕说，研究人员正在研究计算和人工智能（artificial intelligence）如何提高对蛋白质运动的理解和预测。

这项工作得到了美国国立卫生研究院（NIH grants R01GM104257；R15GM123425）、美国 国立过敏与传染病研究所（National Institute of Allergy and Infectious Diseases简称NIAID: R01Al143997）以及美国国立综合医学研究所（National Institute of General Medical Sciences简称NIGMS: R35GM125034）资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

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Abstract

Biological activity is governed by the timely redistribution of molecular interactions, and static structural snapshots often appear insufficient to provide the molecular determinants that choreograph communication. This conundrum applies to multidomain enzymatic systems called nonribosomal peptide synthetases (NRPSs), which assemble simple substrates into complex metabolites, where a dynamic domain organization challenges rational design to produce new pharmaceuticals. Using a nuclear magnetic resonance (NMR) atomic-level readout of biochemical transformations, we demonstrate that global structural fluctuations help promote substrate-dependent communication and allosteric responses, and impeding these global dynamics by a point-site mutation hampers allostery and molecular recognition. Our results establish global structural dynamics as sensors of molecular events that can remodel domain interactions, and they provide new perspectives on mechanisms of allostery, protein communication, and NRPS synthesis.