二型分子伴侣素的动态结构与协同性

分子伴侣素属于热休克蛋白家族，它组装形成分子伴侣，能够与折叠不完全的蛋白质结合并帮助其正确折叠。根据来源、组成和结构的不同，分子伴侣素可以分为两种类型：I型分子伴侣素分布于细菌、叶绿体和线粒体中，形成双层7元环状同聚体；II型分子伴侣素分布于古菌和真核生物细胞质中，形成8次或9次对称的双层环状异聚体结构。近两年对二型分子伴侣素的多种结构有较深入的研究，然而对于其为什么需要由多种亚基组成、不同亚基间如何协同作用以及其底物结合特异性等问题的认识仍然是空白。本项目将在过去关于古菌II型分子伴侣素β开口状态的高分辨率三维结构（Structure）基础上，进一步开展该古菌分子伴侣素α、异聚体αβ，αβ嵌合体在核酸、底物结合等不同状态下的三维动态结构，在结构分析的基础上，结合生化实验阐明II型分子伴侣素亚基间协同相互作用以及其底物结合特异性的分子机理。

二型分子伴侣素是一种ATP依赖的、协助初生肽链或变性的蛋白质正确折叠的多亚基双环复合物。由于其组成和结构的复杂性，目前的研究相对匮乏，许多问题仍待解决。本项目腾冲嗜酸嗜热两面菌(Acidianustengchongensis)的二型伴侣素ATcpn-α和ATcpn-β为研究对象, 开展了多种不同状态的冷冻电镜动态结构研究，阐释了如下分子机理：1）二型伴侣素的组装和热稳定性：ATP的结合以及非保守末端氨基酸的电荷相互作用是关键因素；2）底物结合特性：对于一个确定的gdMDH而言,ATcpn-β的多个亚基和多个结合位点参与相互作用; 而对一个特定的ATcpn-β而言,gdMDH的单体或二体均可以结合其上；3）异种亚基结构分化及功能协同性：只有异聚体才具有显著的 ATPase 活性和底物促折叠活性，异聚体ATcpn-αβ的α和β两种亚基之间的电荷相互作用使得其拥有一种介于ATcpn-α和ATcpn-β的构象状态,这使得异聚体结构柔性更强,从而能够发挥完整的伴侣素功能和适应更多不同蛋白质折叠情况。