摘要:近日，上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)D.M.Czajkowsky特別研究員,在單分子納米生物學(xué)領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展，該研究成果于近日在eLife上正式發(fā)表.通過原子力顯微鏡(AFM)單分子力學(xué)實(shí)驗(yàn)與模擬計(jì)算相結(jié)合，研究了蛋白大分子(PFO)在細(xì)胞膜上的成孔過程，并提出了分子內(nèi)力導(dǎo)致蛋白構(gòu)型變化的新機(jī)制，這種新原理對于同類蛋白大分子的研究具有普遍的指導(dǎo)意義，并且有助于發(fā)現(xiàn)藥物新靶點(diǎn)。

蛋白大分子的生物學(xué)功能與氨基酸鏈通過折疊形成的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。但是，有相當(dāng)數(shù)目的蛋白分子，在行使其功能時(shí)必須通過構(gòu)型的變化才能實(shí)現(xiàn)。而這種單分子水平的變化過程復(fù)雜而迅速，因此對其內(nèi)在物理機(jī)制的研究一直是這一領(lǐng)域重大挑戰(zhàn)。近年來，有研究人員通過分子拉伸形成的外力而誘導(dǎo)這一變化過程，使得相關(guān)研究取得了顯著的進(jìn)展。然而由于蛋白大分子的復(fù)雜多樣性，對于構(gòu)型變化從初始的延伸態(tài)轉(zhuǎn)變成更為緊密結(jié)構(gòu)的蛋白大分子(如PFO)，分子拉伸的方法并不適用。

上海交大的研究團(tuán)隊(duì)在單分子納米生物學(xué)中長期積累的優(yōu)勢為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)展示了新的途徑。研究人員首先發(fā)展了基于AFM的單分子壓縮力譜技術(shù)，通過對掃描探針的精密控制而實(shí)現(xiàn)在單分子上施加可控的壓縮力，從而誘導(dǎo)蛋白分子的構(gòu)型變化。通過這樣的方法，構(gòu)型改變過程中的自由能景觀(Freeenergylandscape)等關(guān)鍵參數(shù)可以得到定量的解析，從而揭示其內(nèi)在的物理原理。研究團(tuán)隊(duì)對具有重要生物醫(yī)學(xué)意義的產(chǎn)氣莢膜梭菌溶血素(PerfringolysinO,PFO)的成孔過程進(jìn)行了系統(tǒng)而定量的研究。PFO是由細(xì)菌產(chǎn)生的常見蛋白，可在細(xì)胞膜上形成孔道，導(dǎo)致細(xì)胞膜電位的崩潰及胞漿分子的流失，造成細(xì)胞死亡，并最終導(dǎo)致大面積組織壞死。當(dāng)PFO在細(xì)胞膜上形成納米孔道時(shí)，其最關(guān)鍵的特征是從伸長的成孔前狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭s緊的成孔狀態(tài)，其變化達(dá)到40埃。研究發(fā)現(xiàn)，如果對成孔前狀態(tài)的PFO頂端施加一外力即可以誘導(dǎo)PFO進(jìn)入成孔的構(gòu)型，其過程滿足單一勢壘的二態(tài)模型。通過分子動力學(xué)模擬以及已知的相關(guān)結(jié)果，該研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，由PFO蛋白中與細(xì)胞膜作用的疏水區(qū)域可以產(chǎn)生足夠的內(nèi)力，起到與外力相同的效應(yīng)，并導(dǎo)致PFO的構(gòu)型改變。

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