蛋白质序列的进化不仅可以编码特定的三维结构，而且可以有效折叠。然而，折叠在体内会出错，引发大量疾病。体外也是如此，这对食品和制药行业产生了重大影响。细胞已经进化出了复杂的伴侣机制来引导折叠，但设计人工蛋白特异性折叠修饰剂仍然是一个挑战。
近日，Sri Rama Koti Ainavarapu和Sudipta Maiti团队在《Journal of the American Chemical Society》上发表了题为“Rational Design of Protein-Specific Folding Modifiers”的研究论文。在这一工作中，作者提出了一种基于小肽的蛋白质特异性折叠修饰剂的设计原理。该研究工作基于构建“异种核”，这是一种预折叠肽，模仿蛋白质的折叠核。通过停止流动动力学、核磁共振波谱、Förster共振能量转移、单分子力测量和分子动力学模拟，证明了异种核可以使泛素的折叠速度加快33±5%，而相同多肽的变体几乎没有影响。该策略为具有明确的连续折叠核的合适蛋白质构建特异性的、遗传编码的折叠催化剂提供了一种新的方法。
图1 (A)色氨酸荧光在停止流动动力学实验中报道的泛素(UbqF45W)折叠。泛素F45W的荧光强度随时间的变化，存在异种核的泛素(图1A，红色)和仅有泛素(图1A，蓝色)。GdnHCl初始浓度为4.25 M，GdnHCl终浓度为3 M；(B)GdnHCl终浓度为1.7 M(蓝色)、2.1 M(红色)和3 M(绿色)时的折叠速率常数。实验数据显示，在3 M GdnHCl终浓度且存在异种核的情况下，再折叠率比单泛素快33±5%(即1.33倍)。此外，这种效应在GdnHCl不同终点浓度均存在；(C)异种核浓度对折叠速率常数的依赖。结果表明，折叠速率随着肽浓度的增加而增加，但这种效应趋于饱和，在60 μM以上略有下降；(D)不同肽存在时的折叠速率常数。在所有的情况下，都观察到了再折叠率的增加，但其他多肽的增加明显小于固定有WT异种核的。
图2 (A)在1.7 M GdnHCl下游离UBQ(蓝色)和UBQ-异种核复合物(红色)的HSQCs覆盖；(B)在1.7 M GdnHCl下UBQ和UBQ-肽溶液之间的化学位移扰动{[(dN/5)2+ (dH)2]1/2}。与典型的蛋白-肽复合物相比，CSPs较小，这表明异种核肽以β1-β2构象与UBQ结合，且在同一界面，因此肽结合的UBQ的化学位移接近其天然状态；(C)化学位移微扰{[(dN/5)2+ (dH)2]1/2}映射到UBQ的结构上。β1-β2区域显示为品红带，其余区域显示为表面。
图3 泛素多聚蛋白在1.7 M GdnHCl时(A)没有和(B)有异种核与在0 M GdnHCl (D)没有和(E)有异种核的AFM力拉痕迹；(C)分别在1.7 M GdnHCl下，仅泛素(黑色)和有异种核的泛素(红色)力与ΔLc(等高线长度)的散点图；(F)未加GdnHCl (0 M GdnHCl)时，仅加泛素(黑色)和有异种核的泛素(红色)力与ΔLc的散点图。图3F显示，异种核对0 M GdnHCl下泛素(~205 pN)的展开力的影响不显著(p值=0.9)。然而，在1.7 M GdnHCl存在时观察到泛素的展开力显著降低，从205±4 pN降至152±6 pN。由于GdnHCl的加入使折叠蛋白变得不稳定，断裂力的下降是可以预料的。在异种核存在时，泛素的展开力进一步显著降低。在GdnHCl存在时，泛素轮廓长度偶尔增加，从23.4±0.1 nm增加到29.1±1.1 nm。然而，在有异种核存在时，泛素的轮廓长度增加了37.0±1.8 nm。在0 M GdnHCl下与肽混合时，未观察到异种核的影响。
图4 用异种核模拟UBQ的自由能谱(FEPs)。(A)仅UBQ(黑色)以及未固定(灰色)和固定有(红色)异种核的UBQ的1DFEP。插图显示了M’盆地的代表性结构，UBQ为灰色，异种核为红色。无肽泛素的自由能谱与非固定肽泛素的自由能谱相似(图4A)，且只有两个最小值，未折叠的(U)和单体(M)，这表明蛋白不倾向于将未固定的肽作为折叠核。大量的接触在M '中形成，进一步分析填充在这个集合中的结构(图4A，插入图)表明泛素使用预折叠的异种核，而不是它自己的β1-β2在M'。Qinter的2DFEPs与未固定的(C)和固定的(E)异种核的UBQ接触数(UBQ)的对比；(B)随机肽间-蛋白接触的未固定(灰色)和固定(红色)的异种核UBQ和仅UBQ(黑色)的1DFEP。随机未固定(D)和固定(F)异种核的UBQ的2DFEPs。2DFEPs(图4D,F)表明中间状态没有积累。颜色表示每个最小值的总体，较深的颜色对应较高的总体。右边显示2DFEPs的颜色条。
作者的研究结果表明，泛素等具有明确折叠核的蛋白质的折叠动力学可以通过引入核模拟分子来调控。文献中已经发现了30多种蛋白质的折叠核，其中许多蛋白质具有连续的折叠核。值得一提的是，如果蛋白质的折叠是通过成核-缩合机制进行的，其中特定折叠核的形成也是限速步骤，那么提供一个“预结构”核可以提高再折叠的速率。展开的蛋白质可以有效地捕获这样一个独立的折叠核，其方式与前面提出的飞投机制类似。由于细胞核只是一个简单的肽序列，原则上，可以通过外部途径或简单地在细胞内表达，将这样一个细胞核引入活细胞内。细胞内的蛋白质在其生命周期内可以展开和折叠数次。由异种核引起的这些速率的变化可以显著改变涉及该蛋白质的细胞过程。根据这些过程的重要性或普遍性，细胞生理本身可能会受到异种核的影响。
DOI: 10.1021/jacs.1c09611https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.1c09611
Sri Rama Koti Ainavarapu，2003年5月至2004年在哥伦比亚大学进行博士后研究，主要在单分子力谱领域工作，并设计方法来理解“拉伸力”对化学/生化反应的影响（机械化学）；2008年至今，塔塔基础研究所化学科学系副教授。
Sudipta Maiti，塔塔基础研究所化学科学系的教授兼主席；1994在宾夕法尼亚大学攻读博士学位；博士后经历：1994-1998年，康奈尔大学。
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