细胞内拥挤环境中蛋白质折叠与二聚化过程研究取得最新进展

最近，南京大学物理系王炜教授课题组与美国、法国和以色列的三位专家合作，在蛋白质折叠和二聚化的热力学和动力学方面取得了重要进展。他们提出了一个模拟蛋白质分子在拥挤环境下细胞内的二聚化模型，利用中间精度蛋白质模型的分子动力学计算模拟，研究了蛋白质分子链的扩散和二聚化过程，相关结果发表在《美国科学院院报》(Proc. Natl. Acad. Sci. USA，106，5517(2009))上。

蛋白质特有的天然态折叠结构是其行使生物功能的物理基础,蛋白质折叠是生物学中心法则中至今仍未完全解决的一个重要环节。近年来，来自不同领域的研究人员用实验、理论、计算机模拟等不同手段致力于蛋白质折叠及其相关问题的研究，取得了许多重要的进展，如提出了蛋白质折叠的能量漏斗模型、阐明了单域小蛋白的两态折叠机制等。但是这些研究基本上是针对简单短链蛋白质在相对较稀溶液中进行的。事实上，在生物体中的细胞内，蛋白质单体通过聚合形成其天然态构象并具有相应生物学功能，在酶催化、信号转导等方面有重要的作用。此外，细胞是一个极其拥挤而又复杂的蛋白质合成和代谢“工厂”。除蛋白质外，包括有很多高浓度的可溶和不可溶的大分子，如核酸、核糖体以及多种碳水化合物，这些大分子的浓度达到80-400 mg/mL，约占据整个细胞体积的20%-30%。细胞中，蛋白质分子自组装折叠、聚集及其生物功能的实现是在这样一个复杂拥挤环境中进行的。其物理机制和动力学过程还很不清楚，是一个困难课题。

王炜教授及其合作者们，用球柱形约束模拟细胞拥挤环境(球柱尺寸与系统有效分子浓度相关)，构建了一个蛋白质折叠和二聚化的理论模型，首次研究了典型的二聚体蛋白质Arc Repressor的二聚化过程，很好地解释了相关实验工作。当两个单体蛋白质链相距较远时，它们经历无规的布朗扩散运动，而当其靠近时，则经历协作的折叠和聚合。随着有效分子浓度增加，二聚蛋白的热力学稳定性增强，二聚化动力学过程被加快。他们细致刻画了拥挤特性对该蛋白质二聚化过程的动力学和热力学的影响，在理论上得出了蛋白质二聚化过程的速率与分子拥挤浓度的关系，发现扩散与聚合最快速率对应的有效分子浓度在量级上对应于细胞真实环境中生物分子拥挤浓度。此结果定性刻画了细胞中分子浓度与蛋白质二聚化动力学的优化关系。基于聚合物高分子理论，进一步发现二聚蛋白的折叠和聚合相对应的势垒高度和热力学稳定性与约束空间尺度和折叠温度之间具有很好的标度关系，揭示了二聚蛋白的折叠和聚合能够用能量面漏斗理论描述。此项研究为揭示真实细胞中蛋白质功能结构形成与功能的关系、蛋白质-蛋白质相互作用和理解酶的催化机理有着重要的理论意义。该工作得到国家自然科学基金委重点基金项目(10834002)、科技部非线性973 项目(2007CB814800)、蛋白质中长期规划(2006CB910300)的资助。