2020年8月5日，中國(guó)醫(yī)學(xué)科科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所王晨軒團(tuán)隊(duì)在Science Advances發(fā)表了“Molecular recognition of human islet amyloid polypeptide assembly by selective oligomerization of thioflavin T”的論文。該研究在單分子水平揭示了藥物分子硫黃素T以寡聚態(tài)與靶點(diǎn)胰淀素蛋白結(jié)合，并從能量角度闡明分子識(shí)別過程中硫黃素T分子選擇性寡聚化的微觀機(jī)制。
選擇性寡聚化是自然界中廣泛分布的進(jìn)化規(guī)律之一。在亞分子水平，兩條、三條或四條α-螺旋鏈?zhǔn)芊肿娱g相互作用的精細(xì)調(diào)控，平行或反平行排列形成的螺旋卷曲，構(gòu)成了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)單元；在分子團(tuán)簇水平，多種蛋白質(zhì)受相互作用界面、結(jié)構(gòu)對(duì)稱性等因素影響，聚集成同型或異型寡聚化復(fù)合物進(jìn)而發(fā)揮生物學(xué)功能，例如活細(xì)胞中大多數(shù)可溶性蛋白和膜蛋白都是具有兩個(gè)或多個(gè)蛋白亞基的寡聚復(fù)合物。寡聚化提高了蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性，增加了局部蛋白質(zhì)濃度，賦予組裝體變構(gòu)協(xié)同性，并在分子識(shí)別過程中提供了高特異性。受自然界蛋白質(zhì)寡聚現(xiàn)象啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)試圖將選擇性寡聚效應(yīng)應(yīng)用于藥物分子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化中，理解藥物的寡聚化機(jī)理并操縱寡聚結(jié)構(gòu)，以藥物團(tuán)簇作為不可分割的單元靶向受體蛋白并發(fā)揮作用。
為揭示藥物分子的寡聚化及分子識(shí)別機(jī)制，王晨軒團(tuán)隊(duì)以β-淀粉樣蛋白特異性標(biāo)記分子硫黃素T（ThT）作為研究對(duì)象，利用具有超高實(shí)空間分辨能力的掃描隧道顯微技術(shù)（STM）在單分子水平研究ThT在其受體人胰島淀粉樣蛋白關(guān)鍵8-37片段（hIAPP8-37）上的吸附結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)ThT在受體蛋白表面上的結(jié)合結(jié)構(gòu)以四種寡聚態(tài)存在：二聚體（頭/尾相接“2×1”）、二聚體（肩并肩相接“1×2”）、四聚體（“2×2”方式）、六聚體（“2×3”方式）。寡聚態(tài)具有奇偶數(shù)選擇性，即僅發(fā)現(xiàn)二、四、六偶數(shù)寡聚狀態(tài)。四種寡聚態(tài)在自由能上表現(xiàn)出非簡(jiǎn)并性，其中“2×2”四聚體的布居分布概率最高，即能量最優(yōu)。吸附的藥物分子寡聚態(tài)由（1）藥物分子之間的內(nèi)聚功與（2）藥物-蛋白間的黏附能共同決定。依據(jù)概率分布與相對(duì)能量差理論可計(jì)算出兩個(gè)頭/尾相接的ThT分子間內(nèi)聚功為6.4 kBT，強(qiáng)于兩個(gè)肩并肩相連ThT的分子間內(nèi)聚功（4.2 kBT）。而ThT與受體蛋白之間的黏附能依賴于結(jié)合位點(diǎn)的微環(huán)境。該工作將STM單分子成像與界面物理化學(xué)理論相結(jié)合，為研發(fā)選擇性寡聚化藥物分子奠定了理論基礎(chǔ)。
本研究工作得到中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)與健康科技創(chuàng)新工程（2018-I2M-3-006）、國(guó)家自然科學(xué)基金(31901007)、醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題（2060204）、中央高校基本科研專項(xiàng)資金（2018PT31028）等項(xiàng)目的資助。基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所王晨軒博士和國(guó)家納米科學(xué)中心方巧君博士為論文共同通訊作者，基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所于蘭蘭博士為論文的第一作者。
論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/6/32/eabc1449
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