建立解析天然无折叠蛋白的系综构象的核磁新方法

天然无折叠蛋白（IUP）不能形成稳定的三级结构，而以一系列能量相近并能互相转化的系综构象存在。在结合到靶蛋白上后，IUP从无结构到有结构的转化往往赋予了它在细胞中的功能。分析IUP在自由状态下的构象只能用核磁共振（NMR）的方法来实现，而传统的表征稳定三级结构的NMR方法已不能满足解析IUP构象的需要。近年来发展的化学链接的顺磁弛豫增强（PRE）方法能在一定程度上表征IUP的构象，但也存在诸多问题。以DARPP－32这一脑内重要的IUP为代表，本课题拟建立一种核磁共振新方法-溶液PRE来解析IUP在溶液中的系综构象。同化学链接的PRE方法相比，溶液PRE较少干扰IUP的系综构象，可对其作出无偏向性的表征。我们将综合采用粗粒度模拟和理论计算的方法，进而确定最有代表性的DARPP-32的集群。我们认为这一核磁新方法将会被广泛运用于解析其它IUP的构象，从而推动对IUP结构和功能的整体认知。

天然无折叠蛋白不能形成稳定的三级结构，但它们在生物体内扮演了重要的角色，而目前尚缺乏有效的方法对其进行结构进行解析和研究。通过本课题的研究，我们建立了一套基于溶液PRE解析这类蛋白在溶液中的系综构象的方法。主要内容包括：开发合成了一种全新的用于溶液PRE研究的顺磁探针，该探针可以有效的避免传统的溶液PRE探针由于配位水与蛋白质氢原子发生交换从而对实验结果造成很大偏差的问题；发展了一种基于蛋白质结构精确计算溶液PRE的理论方法并实现程序化；发展了一种应用分子动力学模拟对天然无折叠蛋白的结构进行采样并结合实验值进行结构挑选的方法。应用我们建立的新方法，对HIV P6蛋白、泛素蛋白、QBP等蛋白在溶液中的系综构象进行了准确的表征。我们发现了泛素分子单体在溶液中的动态变化，解析了泛素分子单体在溶液中存在的非共价二聚结构；揭示了K63连接的泛素二聚体在溶液中的动态构象及功能执行机制；利用新合成的PRE探针，我们检测到了KD ≈ 25 mM的蛋白质相互作用，并成功解析出了该复合体的原子分辨率结构；结合PRE实验和全原子分子动力学模拟，我们检测到了QBP蛋白loop区构象的细微变化，并证明该变化与配体的解离相关。这些结果提示，我们建立的方法可以广泛的应用于溶液中蛋白质（包括天然无折叠蛋白）的动态结构解析，推动人们对这些不能为晶体学及传统结构生物学技术所解析的蛋白的结构功能研究。在本项目的资助下，我们共发表论文3篇，另有3篇SCI论文已经修回、撰写与审稿中。申请国家发明专利一项（专利申请号：201310503539.4），另有2项专利申请书在撰写中。