大约70%的真核生物蛋白质是由多个结构域组成的，它们不仅参与诸多的生物功能，比如变构信号传导、肌肉伸缩等，其结构也体现了多样性：如果结构域间简单串联、结构域内序列连续，称为单联多结构域蛋白质（SMP），如锚蛋白重复序列（图1A）；如果结构域间多次联结、结构域内序列不连续，称为多联多结构域蛋白质（MMP），如腺苷酸激酶（ADK，图1B，本文研究对象）。鉴于MMP的复杂性，很难仅根据序列和二级结构的联结来预测其结构形成机制。目前，仍比较缺乏对MMP折叠路径全面深入的研究。Haas等人在实验中改变盐酸胍浓度触发ADK折叠，发现其塌缩很快，而二级结构形成却很慢。Haran等人利用实验得到了不同盐酸胍浓度下的平衡态轨道，发现了多个中间态并且各个态之间的转变几率可通过盐酸胍浓度调控。尽管已有了这些重要的实验结果，盐酸胍溶液中ADK塌缩/折叠过程中结构如何形成、中间态的结构信息/折叠路径却还是不清楚。

北京师范大学刘振兴教授和美国得克萨斯大学奥斯汀分校D. Thirumalai教授首次将自组装聚合物模型和分子转移模型联合用于研究MMP，模拟了实验条件下ADK（三个结构域NMP 、LID、CORE）的折叠过程，包括控制温度和变性剂浓度。不仅定量重现了很多实验结果，还表明了NMP折叠相对独立，而LID和CORE之间相互协作，这种强协作性来源于CORE的不连续性。各态之间的联结网络（平衡态和降温触发的折叠过程）都是多重联结且平行存在。这项工作为研究其他MMP提供了重要的模拟方法。

英文原题：Cooperativity and Folding Kinetics in a Multidomain Protein with Interwoven Chain Topology

通讯作者：Zhenxing Liu(刘振兴) and D. Thirumalai

作者：Zhenxing Liu(刘振兴) and D. Thirumalai

下载地址：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.2c00140

圆二色谱实验数据表明ADK的折叠过程有两次转变，对应的转变温度分别为 K和 K（图1D中黑色线）。本研究利用分子动力学模拟得到的系统总能量（图1D中红色线）也的确反映出两次转变，对应的转变温度分别为 K和 K，和实验结果非常吻合，这也确定了自组装聚合物模型的有效性。

实验和模拟都表明ADK有两次转变，也就是说其折叠过程是三态过程。本研究利用两个转变温度下的自由能曲线（图1E）确定了三个态（天然态、中间态和解折叠态）的区分标准，从而将所有态进行分类。图1F中展示了三个态所占比例随温度变化的曲线，由此同样可以得到和实验非常吻合的两个转变温度 K和 K。

 图1. 结构、序列以及ADK的热力学性质。

为了能和实验结果直接进行比较，作者利用分子转移模型来研究盐酸胍对ADK性质的影响。首先，计算了随盐酸胍浓度变化的FRET效率，计算结果和实验结果极其符合（图2A中黑色实线和黑色点）。计算得到的FRET效率的导数也表明ADK有两次转变（图2A插图），主要转变对应的转变浓度 M，和实验结果完全一致；预测的另一转变浓度为 M，实验上还没有观察到。图2B中展示了三个态所占比例随盐酸胍浓度变化的曲线，由此同样可得到对应的两个转变浓度 M和 M。

 ADK三个结构域中的天然接触形成比例随盐酸胍浓度变化的曲线（图2C）表明NMP和LID都只发生一次转变，对应转变浓度分别为 M和 M，可见NMP比LID更加稳定；CORE发生两次转变，折叠过程比NMP和LID更复杂。三个结构域中的天然接触形成比例在两个转变浓度下的分布也表明了类似的结果（图2D）。不同浓度下的比热曲线表明随着盐酸胍浓度提高，转变温度逐渐下降（图2E），定量分析发现二者之间是线性关系（图2F）。

图2. 盐酸胍浓度对ADK性质的影响

本研究选取ADK三个结构域中的天然接触形成比例作为序参量来对100条折叠轨道进行分析，发现ADK的折叠有多个平行路径（图3），其中NMP和LID都只有2个态（用L、H表示），CORE有5个态（用1-5表示），而 ADK整体表现出有13个态，对应于15种折叠路径。13个态之间的转变几率非常复杂，折叠初期ADK的状态及路径非常多样化，而折叠后期自由能面对ADK结构的约束更强，反映出随着折叠的进行自由能面逐渐紧缩至天然态。

图3. ADK折叠的平行路径

基于研究结果，作者认为多联多结构域蛋白质中的协作性出现在折叠后期，而折叠早期却高度多样化。我们的很多预测，如转变温度随盐酸胍浓度的变化、多个结构域的形成顺序及其相互作用，都可通过实验进行验证；精细的结构变化还需单分子实验验证。类似的结论很可能也适用于核酶（多个结构域组成的具有酶催化功能的RNA分子）受离子驱动的折叠过程，建议用单分子拉伸实验来研究RNA内部各个结构域之间的相互作用。

刘振兴，北京师范大学物理学系副教授，主要从事生物物理方向的研究。

http://virphysics.bnu.edu.cn/web/application/faculty/liuzhenxing/index.htm

D. Thirumalai，美国德克萨斯大学奥斯汀分校化学系系主任，J. Chemical Physics、 Protein Evolution, Design, and Selection等的编委，研究兴趣包括平衡和非平衡统计力学中的多种问题，详见： https://sites.cns.utexas.edu/thirumalai   

相关论文发表在ACS Central Science上，刘振兴教授为第一作者，并与D. Thirumalai 教授为共同通讯作者。

ACS Cent. Sci. 2022, ASAP

Publication Date: May 19, 2022

https://doi.org/10.1021/acscentsci.2c00140

© 2022 The Authors. Published by American Chemical Society

原文链接： https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.2c00140