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近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)龍冬教授課題組在膜蛋白取向動(dòng)力學(xué)的核磁共振波譜分析領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以“Quantitative Paramagnetic NMR-Based Analysis of Protein Orientational Dynamics on Membranes: Dissecting the KRas4B-Membrane Interactions”為題發(fā)表于《美國化學(xué)會(huì)志》（Journal of the American Chemical Society）。

外周膜蛋白可通過疏水、靜電等非共價(jià)作用附著于質(zhì)膜（plasma membrane）表面，并參與分子信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)在內(nèi)的諸多重要細(xì)胞事件。在膜環(huán)境中，蛋白質(zhì)分子相對脂質(zhì)雙分子層的取向并不固定，而是快速地在不同的取向狀態(tài)間相互轉(zhuǎn)換，具有不同程度的旋轉(zhuǎn)自由度。近年來的研究表明外周膜蛋白的生物學(xué)功能高度依賴其在膜表面的空間取向，并受其旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)過程的調(diào)控。如何在原子分辨尺度精確表征蛋白質(zhì)分子在脂質(zhì)雙分子層表面的功能性取向運(yùn)動(dòng)是該領(lǐng)域的前沿問題。

在本研究中，龍冬教授課題組發(fā)展了針對膜-蛋白二元體系的順磁弛豫增強(qiáng)分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對外周膜蛋白取向圖景（orientational landscape）的高精度刻畫。該工作發(fā)現(xiàn)并定量解釋了常規(guī)膜順磁弛豫增強(qiáng)（mPRE）實(shí)驗(yàn)中膜內(nèi)自旋探針泊松分布對質(zhì)子順磁弛豫增強(qiáng)速率的扭曲效應(yīng)，并對不同定性和定量順磁弛豫參數(shù)的失真程度給出了理論評估和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為消除這一系統(tǒng)誤差，該項(xiàng)研究利用瞬時(shí)膜-蛋白復(fù)合系統(tǒng)準(zhǔn)確測量了外周膜蛋白的未失真mPRE速率，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了一項(xiàng)新的基于mPRE實(shí)驗(yàn)參數(shù)的建模方法，用于準(zhǔn)確還原生物大分子在膜表面的玻爾茲曼取向分布。這一定量mPRE方法被應(yīng)用于癌基因蛋白KRas4B，精確刻畫了其在不同成分磷脂雙分子層表面的取向運(yùn)動(dòng)，揭示了該分子中催化結(jié)構(gòu)域和C末端天然無序結(jié)構(gòu)區(qū)域在塑造其取向圖景時(shí)起到的獨(dú)特作用。值得一提的是，作為經(jīng)典膜外周蛋白，KRas4B與下游效應(yīng)分子及小分子抑制劑的相互作用受其在膜表面空間取向的嚴(yán)格調(diào)控。該項(xiàng)研究工作構(gòu)建的高精度KRas4B取向動(dòng)力學(xué)模型對深刻理解其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)理和藥物設(shè)計(jì)都至關(guān)重要。

圖1.mPRE核磁共振波譜法定量揭示KRas4B在脂質(zhì)雙分子層表面的取向分布

該課題組博士研究生古雪、博士后柳丹為論文共同第一作者。該研究工作得到科技部、基金委和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)的資助。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c01597

（生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部、科研部）