日前，我中心李金宇教授课题组在生物质谱环境下固有无序蛋白的结构研究取得新进展，相关成果以“Role of hydrophobic residues for the gaseous formation of helical motifs”为题发表于Chemical Communications期刊（Chem. Commun., 2019, 55, 5147）。
长期以来在生物学的研究中形成了蛋白质序列－结构－功能的基本法则，即蛋白质的氨基酸序列决定了空间折叠结构，后者又决定了蛋白质的生物功能。但是，从上世纪末，人们逐渐认识到该基本法则并非是放之四海而皆准的真理，人们逐渐发现了大量没有固定三维空间结构的蛋白质。这些蛋白质在生理环境下依然具有正常的生物学功能，这些蛋白被称为固定无序蛋白质（intrinsically disordered proteins，IDP）。基因组学预测表明25-30%的真核蛋白是完全无序的IDP，并且多于50%的真核蛋白包含至少一个或多个大于30个氨基酸长度的无序区域。这些广泛分布的IDP在生命活动中具有重要的生物学功能，并与肿瘤、神经退行性疾病等人类重大疾病的致病机理密切相关。因此，IDP被认为是一类非常重要的肿瘤和神经退行性疾病相关的潜在重要药物靶标。与完全折叠的结构化蛋白不同，IDP在生理条件下是以一系列高度柔性的构象集合存在。其固有柔性及共生杂化构象等特性使得传统结构生物学实验技术在研究IDP时面临巨大挑战。
近年来，柔性生物质谱技术在结构生物学研究中逐渐展现出巨大潜能。质谱可在蛋白质非改性和低浓度的条件下，利用电喷雾电离技术对包括IDP在内的生物大分子进行电离，并快速分析出它们在气相中的电荷分布，对不同紧凑性的蛋白质构象集合进行表征。此外，对电荷分布的数值拟合可以得到蛋白质不同构象的具体分布等信息。更重要的是，质谱与离子淌度技术联用可通过测量蛋白质的碰撞截断面积来进一步动态表征蛋白质的体积、形状等低分辨率结构性质。虽然生物质谱在IDP研究中展现出了巨大的应用潜力，但是通过该技术所得到的IDP在质谱环境（即气相）下的结构信息分辨率过低（无法达到原子尺度），这在很大程度上限制了人们对质谱数据的理解与应用，以及基于质谱技术的IDP结构生物学的研究与发展。因此，对IDP在质谱环境下的高分辨率结构解析变的尤为重要与紧迫。然而，到目前为止，还没有任何一种实验技术可以解析出生物大分子在气相或质谱环境下的高分辨率结构信息。
针对这些挑战，本中心李金宇教授课题组与德国于利希研究中心计算生物医药研究所主任Paolo Carloni教授和瑞典斯德哥尔摩大学阿伦尼乌斯实验室Astrid Gräslund教授合作，基于团队前期所开发的计算模拟技术，对一种IDP复合物在生物质谱环境下的结构进行了首次精准预测。该IDP为与阿尔茨海默症直接相关的人源淀粉样b (1-40)二聚体（2Ab），其是人体内具有神经毒性的最小Ab寡聚态。通过杂化的蒙特卡洛/分子动力学技术及亚毫秒级全原子分子动力学模拟，精准重现了2Ab相关质谱实验的测量数据。在此基础之上，重点关注IDP复合物在气液两相不同环境下的构象集合和二级结构信息，深入探究了由于相变所引起的IDP二级结构变化的分子机制。提出疏水性氨基酸残基在形成气相螺旋结构的过程中扮演重要的作用，该观点与前人对多肽片段的高精度量子力学计算和红外光谱实验结果相一致。此外，本工作证明团队所开发的计算模拟方法具有普适性和高精确性，可与生物质谱数据直接对接，提供结构化蛋白和IDP的高分辨率三维结构信息，这将为生物质谱技术和气相生物大分子结构研究的发展提供理论基础。
本工作在李金宇教授指导下，由中心博士后柳林、硕士生董昕和博士生刘以畅完成。李金宇教授和Paolo Carloni教授为论文共同通讯作者，作者还包括Astrid Gräslund教授与其博士生Nicklas Österlund。本工作得到了国家自然科学基金（No. 21603033）的资助。
论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2019/cc/c9cc01898k
