2023年7月5日，中國醫學科學院基礎醫學研究所王晨軒團隊在ACS Central Science《ACS核心科學》發表了題為“Experimental Insights into Conformational Ensembles of Assembled β-Sheet Peptides ”(β-折疊組裝肽的構象系綜研究)的論文，該研究在單分子水平揭示了β-折疊多肽組裝結構中的構象系綜。
蛋白質分子整體或局部一定時間尺度內表現出多重構象的動態互變。宏觀條件下，蛋白質的性質由處于各種運動狀態的、各自獨立的構象的集合共同決定，這種動態構象的集合被稱為構象系綜。系統性地解析蛋白構象系綜，闡明各亞穩態與穩態在結構、分布概率、相對能量關系隨時間的演化規律，是揭示蛋白聚集趨勢的物質與能量基礎。由于蛋白質的動態結構包含了多重熱力學微觀狀態，使用經典的結構生物學研究手段進行結構測定不可避免地涉及到多態性結構平均化，丟失微觀狀態的結構信息和特征。因此必須發展亞分子水平的超高分辨率顯微成像方法用以解析蛋白質的構象系綜。
本團隊發展了基于掃描隧道顯微術（STM）用于蛋白質構象系綜解析的亞分子水平成像與數據處理方法（自主知識產權）。基于STM技術的單分子成像技術利用電子隧穿效應，獲得分子的局域電子態密度差異和分子形貌。該技術不依賴于統計大量分子獲得平均化信息，而是對單個分子的局域結構進行分析。該方法空間分辨率優于0.3 nm，能夠同時分辨10種以上共存的蛋白質微觀狀態。可在1分鐘內對約500個蛋白質分子進行結構測定。本團隊使用該方法揭示了人胰島淀粉樣蛋白關鍵8-37片段（hIAPP8-37）纖維狀聚集體內部的單體結構存在差異性，是由18種不同亞穩態構成的構象系綜。統計該18種亞穩態的分布概率與相對作用模式，進一步建立了構象系綜的能量景觀圖。當蛋白質發生異常的氨基酸位點突變或者翻譯后修飾，也將伴隨著構象系綜各熱力學微觀狀態的重新分配。相較之下，其病理性突變體hIAPP S20G 8-37組裝結構中包含了19種亞穩態構成，存在95種多肽-多肽相互作用模式。應用Fisher-Yates洗牌算法獲得構象亞穩態的隨機排列，對比實驗測量的累積概率和洗牌算法產生的隨機概率，發現焓在驅動具有相似β鏈長度的亞穩態之間相互作用的重要貢獻。病理性S20G突變增強了具有相似β鏈長度的亞穩態之間的相互作用，闡明了hIAPP S20G的高聚集趨勢的分子機制。該工作為β-折疊多肽組裝中的構象系綜和多肽間相互作用模式提供了單分子實驗視角，將有利于深入剖析氨基酸突變和翻譯后修飾等各因素對蛋白質錯誤折疊相關疾病（包括朊病毒病、帕金森病、淀粉樣變性等）病理機制影響的分子機制。
本研究工作得到中國醫學科學院醫學與健康科技創新工程（2021-I2M-1-022和2022-I2M-JB-003）、國家自然科學基金(31901007, 32201243, 32201142)、北京市自然科學基金（2222039）、細胞生態海河實驗室“揭榜掛帥”項目（HH22KYZX0011）、醫學分子生物學國家重點實驗室自主研究課題（2060204）等項目的資助。基礎醫學研究所王晨軒研究員、俄亥俄州立大學王曉光教授和基礎醫學研究所張文博助理研究員為論文共同通訊作者。基礎醫學研究所于蘭蘭副研究員和博士生王若楠為論文的共同第一作者。國家納米科學中心王琛研究員、楊延蓮研究員、加州理工學院姚昱星博士、哈佛大學李姝聰博士也為該工作做出了重要貢獻。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.3c00230
