鑽石舞台

大約70%的真核生物蛋白質是由多個結構域組成的，它們不僅參與諸多的生物功能，比如變構信號傳導、肌肉伸縮等，其結構也體現了多樣性：如果結構域間簡單串聯、結構域內序列連續，稱為單聯多結構域蛋白質（SMP），如錨蛋白重複序列（圖1A）；如果結構域間多次聯結、結構域內序列不連續，稱為多聯多結構域蛋白質（MMP），如腺苷酸激酶（ADK，圖1B，本文研究對象）。鑑於MMP的複雜性，很難僅根據序列和二級結構的聯結來預測其結構形成機制。目前，仍比較缺乏對MMP摺疊路徑全面深入的研究。Haas等人在實驗中改變鹽酸胍濃度觸發ADK摺疊，發現其塌縮很快，而二級結構形成卻很慢。Haran等人利用實驗得到了不同鹽酸胍濃度下的平衡態軌道，發現了多個中間態並且各個態之間的轉變幾率可通過鹽酸胍濃度調控。儘管已有了這些重要的實驗結果，鹽酸胍溶液中ADK塌縮/摺疊過程中結構如何形成、中間態的結構信息/摺疊路徑卻還是不清楚。

北京師範大學劉振興教授和美國得克薩斯大學奧斯汀分校D. Thirumalai教授首次將自組裝聚合物模型和分子轉移模型聯合用於研究MMP，模擬了實驗條件下ADK（三個結構域NMP 、LID、CORE）的摺疊過程，包括控制溫度和變性劑濃度。不僅定量重現了很多實驗結果，還表明了NMP摺疊相對獨立，而LID和CORE之間相互協作，這種強協作性來源於CORE的不連續性。各態之間的聯結網絡（平衡態和降溫觸發的摺疊過程）都是多重聯結且平行存在。這項工作為研究其他MMP提供了重要的模擬方法。

圓二色譜實驗數據表明ADK的摺疊過程有兩次轉變，對應的轉變溫度分別為和（圖1D中黑色線）。本研究利用分子動力學模擬得到的系統總能量（圖1D中紅色線）也的確反映出兩次轉變，對應的轉變溫度分別為和，和實驗結果非常吻合，這也確定了自組裝聚合物模型的有效性。

實驗和模擬都表明ADK有兩次轉變，也就是說其摺疊過程是三態過程。本研究利用兩個轉變溫度下的自由能曲線（圖1E）確定了三個態（天然態、中間態和解摺疊態）的區分標準，從而將所有態進行分類。圖1F中展示了三個態所占比例隨溫度變化的曲線，由此同樣可以得到和實驗非常吻合的兩個轉變溫度和。

圖1. 結構、序列以及ADK的熱力學性質。

為了能和實驗結果直接進行比較，作者利用分子轉移模型來研究鹽酸胍對ADK性質的影響。首先，計算了隨鹽酸胍濃度變化的FRET效率，計算結果和實驗結果極其符合（圖2A中黑色實線和黑色點）。計算得到的FRET效率的導數也表明ADK有兩次轉變（圖2A插圖），主要轉變對應的轉變濃度，和實驗結果完全一致；預測的另一轉變濃度為，實驗上還沒有觀察到。圖2B中展示了三個態所占比例隨鹽酸胍濃度變化的曲線，由此同樣可得到對應的兩個轉變濃度和。

ADK三個結構域中的天然接觸形成比例隨鹽酸胍濃度變化的曲線（圖2C）表明NMP和LID都只發生一次轉變，對應轉變濃度分別為和，可見NMP比LID更加穩定；CORE發生兩次轉變，摺疊過程比NMP和LID更複雜。三個結構域中的天然接觸形成比例在兩個轉變濃度下的分布也表明了類似的結果（圖2D）。不同濃度下的比熱曲線表明隨着鹽酸胍濃度提高，轉變溫度逐漸下降（圖2E），定量分析發現二者之間是線性關係（圖2F）。

圖2. 鹽酸胍濃度對ADK性質的影響

本研究選取ADK三個結構域中的天然接觸形成比例作為序參量來對100條摺疊軌道進行分析，發現ADK的摺疊有多個平行路徑（圖3），其中NMP和LID都只有2個態（用L、H表示），CORE有5個態（用1-5表示），而 ADK整體表現出有13個態，對應於15種摺疊路徑。13個態之間的轉變幾率非常複雜，摺疊初期ADK的狀態及路徑非常多樣化，而摺疊後期自由能面對ADK結構的約束更強，反映出隨着摺疊的進行自由能面逐漸緊縮至天然態。

圖3. ADK摺疊的平行路徑

基於研究結果，作者認為多聯多結構域蛋白質中的協作性出現在摺疊後期，而摺疊早期卻高度多樣化。我們的很多預測，如轉變溫度隨鹽酸胍濃度的變化、多個結構域的形成順序及其相互作用，都可通過實驗進行驗證；精細的結構變化還需單分子實驗驗證。類似的結論很可能也適用於核酶（多個結構域組成的具有酶催化功能的RNA分子）受離子驅動的摺疊過程，建議用單分子拉伸實驗來研究RNA內部各個結構域之間的相互作用。

劉振興，北京師範大學物理學系副教授，主要從事生物物理方向的研究。http://virphysics.bnu.edu.cn/web/application/faculty/liuzhenxing/index.htm

D. Thirumalai，美國德克薩斯大學奧斯汀分校化學系系主任，J. Chemical Physics、 Protein Evolution, Design, and Selection等的編委，研究興趣包括平衡和非平衡統計力學中的多種問題，詳見：https://sites.cns.utexas.edu/thirumalai