基于单分子力谱的多肽适配体对纤连蛋白力学性质调控的研究

Fibronectin is an important biomacromolecule that undergoes and transmits mechanical forces within and between cells, having important influence on many biological activities such as cell development, proliferation and differentiation. Regulating the mechanical properties of fibronectin can affect the fibronectin dimerization, fiber formation, etc., and thus regulate related biological activities mentioned above. Based on single-molecule force spectroscopy, molecular dynamics simulation and other techneques, this project innovatively uses the novel molecular regulation method of peptide aptamer to dynamically, reversibly and specifically regulate the single-molecule mechanical properties of fibronectin extra domain B and the dimeric behavior of fibronectin and studies the related molecular mechanisms. At the macro level, protein-based hydrogel materials also show great potential in biomedical fields, and their mechanical properties and mechanical microenvironment have important effects on cell growth, differentiation and migration. Based on the results of single-molecule force spectroscopy, this project will use peptide aptamers to regulate the mechanical properties of hydrogels with fibronectin as the building block, providing a new idea for the design and preparation of novel dynamic hydrogel materials.

纤连蛋白是细胞内和细胞间承受并传导机械力的重要生物大分子，对于许多生命活动如细胞的发育增殖与分化等功能有着重要的影响。通过对纤连蛋白力学性质的调控，就可以对纤连蛋白双聚、纤维形成等产生影响，进而调控上述的相关生命活动。本项目创新地使用多肽适配体这一新型分子调控方法，通过单分子力谱和分子动态模拟等手段，动态、可逆以及特异性调控纤连蛋白额外域B的单分子力学性质以及纤连蛋白的双聚行为，并研究相关的分子机制。在宏观层面，基于蛋白质的水凝胶材料在生物医药领域也展现出巨大潜力，而其力学性质以及力学微环境对于细胞的生长、分化以及迁移都有重要的影响。本项目将基于单分子力谱等研究结果，用多肽适配体调控以纤连蛋白为构筑基元的水凝胶的力学性质，为新型动态水凝胶材料的设计与制备提供新的思路。

纤连蛋白（Fn）是细胞内与细胞间承受并传导机械力的重要生物 大分子，是一种力学敏感的蛋白质。其中，纤连蛋白额外结构域 EDB仅在胚胎发生和心血管生成期间以及肿瘤细胞中显著表达，从而引发 许多重要的生理过程，包括细胞的粘附、伤口愈合、信号传递、增殖 与分化。EDB 的力学性质对其生理功能有重要影响，本研究利用基于原子力显微镜技术的单分子力谱技术研究 EDB 的力学性质，并利用多肽适配体 APT 对 EDB 的特异性结合，改变纤连蛋白额外结构域 EDB 的构象，从而对纤连蛋白额外结构域 EDB 力学性质进行调控。在本研究中，我们构建了 Streptavidin–biotin 多聚体生物分子体系和 SdrG-Fgb 单体生物分子体系，进行了基于原子力显微镜的单分子力谱实验。我们发现多肽适配体 APT 能够对纤连蛋白额外结构域EDB 的力学性质有显著影响，在无 APT 存在下，EDB 的解折叠力在50-100pN 之间，在 APT 的存在下，EDB 的力的解折叠力减小，以至于通过原子力显微镜不能明显检测到EDB 的解折叠力（小于10pN）。通过上述研究结果，我们对于多肽适配体 APT 对纤连蛋白额外结构域 EDB 的力学性质的调控进行了科学的阐述，加深了配体 APT 对受体 EDB 特异性相互作用的理解,同时能够为以 EDB 作靶点的肿瘤检测与治疗提供理论与实验依据，对建立蛋白功能与微观力学以及构象 之间的联系也具有重要意义。