彈性蛋白力學構造的單分子力譜研究

《彈性蛋白力學構造的單分子力譜研究》是依託南京大學，由曹毅擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：彈性蛋白力學構造的單分子力譜研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：曹毅
• 依託單位：南京大學

項目摘要

彈性蛋白質特別的力學性能使其既是生物體內重要的功能蛋白更是優良的生物材料。研究其力學構造不僅可以從分子層次上揭示彈性蛋白質的生理功能，而且可為人工改良彈性蛋白質提供物理基礎。然而，人們對彈性蛋白質的力學構造理解還十分有限。本項目將以凝溶膠蛋白為模型，以單分子力譜為主要研究手段，結合蛋白質工程和分子動力學模擬等生物和物理的研究方法，從分子層面上深入研究彈性蛋白質力學構造特性。我們首先研究凝溶膠蛋白單個蛋白域的力學解摺疊，揭示其拓撲結構和力學性能之間的關係，並研究鈣離子在活化凝溶膠蛋白的過程中對其力學性能的調控。在此基礎上，還研究一些引起疾病的突變對凝溶膠蛋白的熱力學和力學性能的影響，揭示這些突變所導致的疾病的發病機理。在掌握了凝溶膠蛋白單個蛋白域的力學構造的基礎上，我們進一步在整個凝溶膠蛋白的層面上，研究其四級結構對其力學性能的影響。把對彈性蛋白質的力學構造的認識提高到新的程度。

結題摘要

凝溶膠蛋白是一種肌動蛋白微絲的調控蛋白，執行著對肌動蛋白微絲的切割和末端封蓋，阻止其進一步生長的功能。本課題通過基於原子力顯微鏡的單分子力譜來研究凝溶膠蛋白的力學特性，揭示其外力對其結構與功能的調控。本課題所取得的主要研究成果如下： 首先，我們揭示了凝溶膠蛋白的不同蛋白域的力學特性，研究表明，由於凝溶膠蛋白的六個蛋白域的結構相似，每個蛋白域的的解摺疊的力均在20-50 pN之間。結合鈣離子後，G6的解摺疊力增加明顯，但其它蛋白域不明顯。這主要由於G6蛋白域的結構比較動態，與鈣離子結合構象變化較大，變得更加剛性。 其次，我們發現鈣離子與G6的結合受到外力的調控。比較新奇的是，外力可以提高鈣離子與G6的結合強度5倍以上。 再次，我們研究發現凝溶膠蛋白的G1蛋白域的解摺疊機制受鈣離子結合的調控。通過對凝溶膠蛋白解摺疊的能量面的精細刻畫，我們發現在未結合鈣離子前，其解摺疊的轉變態隨著外力的增加向天然態靠近。而且結合鈣離子後，其轉變態保持不變。這主要是由其特殊的解摺疊能量面形貌決定的。 最後，我們研究了凝溶膠蛋白一族的絨毛蛋白的HP35結構域的力學解摺疊。該結構域是自然界中已知的摺疊最快的蛋白。我們研究發現其解摺疊的力非常小，解摺疊的協同性較差，在三級結構失去後，其二級結構能夠穩定存在。該蛋白的特殊力學性能可以作為一個彈性體來提高蛋白材料的延展性。 總之，通過本課題的研究，我們豐富了對凝溶膠蛋白的力學特性的認識，揭示了其結構與力學特性之間的關係，並且探索了鈣離子的結合對其力學特性的調控。我們的研究在單個蛋白的層面上為人工設計、調控蛋白質力學特性創造了條件。