用于结构生物学和药物研发的蛋白质顺磁标记

生物大分子的结构测定对于了解生命的本质至为重要，揭示溶液中生物大分子的动态性能对于了解其功能同样重要而必需。本课题将为溶液中蛋白质-蛋白质和蛋白质-配体（或药物）复合物的结构测定提供一种新的方法，即通过金属配合物与蛋白质的非共价特异性作用来定向蛋白质，获得结构信息。某些顺磁性金属离子的各向异性磁感应张量能体现在生物大分子的自旋上，可以用来测定溶液中蛋白质复合物的三维结构和研究蛋白结构域的动态性能。为改变当前国际上常用的通过蛋白质半胱氨酸残基的反应把金属标签共价接到蛋白质上，本课题主要探索非共价标记蛋白的方法，并通过金属离子的磁感应张量获得蛋白复合物的三维溶液结构并系统研究蛋白中各结构域间的相对取向和动力学行为。这种非共价标记蛋白的方法克服了传统共价标记蛋白的诸多局限，对于核磁共振技术在结构生物学特别是蛋白质复合物的结构测定方面具有重要的意义。

生物大分子的结构信息对于了解其功能有重要意义，因此生物大分子的结构测定和构象分析显得尤为重要。高分辨核磁共振对于了解生物大分子的动态学变化以及溶液结构解析是重要的生物物理工具。近年来，顺磁核磁在结构生物学领域引起了广泛的兴趣，这主要是由于顺磁物质与生物大分子自旋核的作用能提供非常有效的结构和距离信息。大多数蛋白质没有顺磁中心，要获得这些顺磁信息需要对蛋白质进行顺磁标记。目前国际上常用的顺磁标记是通过共价键或者分子生物学方法引入顺磁物质或者顺磁离子结合中心，但是对于有些蛋白质利用上述标记方法很难标记。为克服困难，根据利用有机分析中“稀土位移试剂”的思想，成功把稀土位移试剂应用到生物大分子体系中。我们发现一些稀土配合物由于其自身结构和电荷的特性，能特异性地与蛋白质作用并产生明显的赝接触位移(pseudocontact shift)和残余偶极耦合(residual dipolar coupling)。本项目中，我们发现这种非特异作用可以通过改变有机配体的取代基和对称性来改变其与稀土离子形成配合物的物理特性，以此来调节稀土配合物与蛋白质的特异性性作用。这种非共价作用可以广泛应用到大分子蛋白质和普通条件难以顺磁标记的蛋白质上面，并可以利用这种非特异作用进行磁性调控。这种方法对解决小分子与大分子作用构象、多结构域蛋白质取向测定都有重要的应用。另外我们提出了末端巯基与Michael加成反应标记蛋白质，这种标记方法没有新的手性中心的产生并且修饰后的蛋白具有很高的稳定性，这为标记高稳定蛋白质-标签复合物提供了重要技术。