外力作用下蛋白質摺疊與去摺疊的單分子操縱研究

《外力作用下蛋白質摺疊與去摺疊的單分子操縱研究》是依託廈門大學，由陳虎擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：外力作用下蛋白質摺疊與去摺疊的單分子操縱研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陳虎
• 依託單位：廈門大學

項目摘要

細胞依靠力學感測蛋白感受外部力學環境的變化而產生不同的生物學回響，如細胞分化與遷移等，因此力學感測蛋白在外加拉力作用下的去摺疊/摺疊過程不僅是個重要的物理問題，也具有重要的生物功能。本項目以重要的肌肉蛋白Titin和細胞骨架蛋白Filamin A為研究對象，利用磁鑷單分子操縱技術來研究在生理條件拉力作用下蛋白質摺疊與去摺疊的性質，這類研究是目前絕大部分實驗技術所不能實現的。本項目的主要研究目標和內容包括：（1）研究蛋白質在恆定拉力下的去摺疊與摺疊過程；（2）通過對蛋白質在臨界拉力作用下摺疊與去摺疊轉變的平衡態測量確定蛋白質摺疊的自由能曲面；（3）研究蛋白質摺疊與去摺疊過程對溫度、鹽濃度等環境因素的依賴關係，確定蛋白質摺疊的主要驅動力；（4）探索拉力對蛋白質之間的相互作用的影響。本項目不僅可以闡明蛋白質摺疊與去摺疊的一般物理規律，也將揭示細胞中的力學感測蛋白行使生物功能的分子機制。

結題摘要

絕大多數蛋白質執行其生物功能的前提是它能夠從多肽鏈摺疊到其特定的三維結構，而蛋白質的降解需要將將其解開成多肽鏈構象才可以進行，所以蛋白質的摺疊與去摺疊的研究具有重要的生物學意義，可以認為是生物中心法則 的重要延伸。近些年來，人們進一步發現蛋白質在體內的輸運和行使功能的過程中也伴隨著構象轉變甚至完全去摺疊後再重新摺疊的動力學過程，特別是肌肉纖維和細胞骨架的相關蛋白質，它們在周期性拉力的作用下會發生去摺疊與再摺疊的轉變，同時通過拉力導致的構象轉變與相互作用的變化來幫助細胞感受外界力學環境的變化而做出相應的反應。 本課題的主要研究了肌肉蛋白和細胞骨架蛋白在拉力作用下的摺疊與去摺疊的自由能變化和動力學過程。通過自主研發搭建的磁鑷單分子操縱設備，實現了對於單個蛋白質的長時間高精度的平衡態與非平衡態的測量。由於磁鑷無需反饋控制就可以可以實現恆定拉力的測量，我們可以精確的測量從2 pN到100 pN以上的拉力範圍內蛋白質摺疊與去摺疊的回響。 測量得到的最主要結果首先是確認不同蛋白質摺疊與去摺疊過程所經歷的不同狀態，我們發現 titin I27可以用簡單的兩態模型來描述，而細胞骨架蛋白 alpha-catenin 在去摺疊過程中，M2-M3結構域去摺疊過程中會經過一個中間態。其次，我們可以在單個蛋白質上得到蛋白質摺疊與去摺疊速率對拉力的準確依賴依賴關係。我們發現titin I27在拉力小於25 pN時，其去摺疊過程出現反常的拉力依賴關係，拉力越小，其去摺疊速率反而越快。這是在蛋白質去摺疊領域首次發現的catch bond現象。我們建立了一個具有高度熵彈性的過渡態模型，可以對我們的實驗結果進行完美的解釋。這是一種全新的catch bond現象的模型。 另外，我們也對GB1， CSP等幾種蛋白質的摺疊與構象轉變過程進行了研究。關於生物大分子間的相互作用，我們發現spycatcher和spytag形成的複合體局部可以發生unzipping的構象轉變，CSP和寡聚核苷酸可以發生相互作用並使得CSP穩定性提高。