人类Hsp70蛋白构象变化动力学的单分子水平研究

The Hsp70 is an important molecular chaperone which exists in both prokaryotic and eukaryotic organisms. Hsp70 plays an indispensable role in regulating protein folding, oligomerization，degradation and protecting proteins from aggregation under stress condition. Hsp70 consists of an N-terminal nucleotide binding domain, a beta-sheet-containing substrate binding domain and an alpha-helical C-terminal lid domain. It is an ATP-dependent chaperone which hydrolyzes ATP to ADP resulting in intramolecular conformational changes and cycling between substrate-binding and release states. In this project, using human Hsp70 as a model, we plan to study the conformational changes of Hsp70 and investigate the distribution and dynamics of conformational states by both ensemble FRET and single molecule FRET. This research will contribute to understanding of the molecular mechanism of Hsp70 at the single molecule level.

Hsp70是一类重要的分子伴侣蛋白，广泛存在于原核生物和真核生物体内，在蛋白质折叠、聚集、降解以及胁迫条件下保护胞内蛋白等过程中发挥重要的调控作用。Hsp70结构上包括N端的核苷酸结合结构域、富含beta折叠的底物结合结构域以及富含alpha螺旋的C端盖状结构域三部分。Hsp70是ATP依赖的分子伴侣，通过不断将ATP水解为ADP，发生结构域之间的构象变化，实现对底物结合和释放的循环。本项目拟以人类Hsp70为研究模型，应用系综水平和单分子水平的荧光共振能量传递技术，研究Hsp70在不同核苷酸以及不同底物结合状态下的构象变化和构象分布，并在单分子水平下研究Hsp70的构象变化动力学。研究成果将从单分子水平上揭示Hsp70蛋白行使功能的分子机制。

Hsp70是一类重要的分子伴侣蛋白，广泛存在于原核生物和真核生物体内，在蛋白质折叠、聚集和降解等过程中发挥重要的调控和质量控制作用。Hsp70结构上包括核苷酸结合结构域（NBD）和底物结合结构域（SBD），后者又包括β片层亚结构域（SBDβ）以及α螺旋束盖子亚结构域（SBDα）。其中NBD可结合ATP并将其水解为ADP，继而引发结构域之间的构象变化，实现SBD对底物结合和释放的循环。近年来随着Hsp70结构生物学研究的进展，对Hsp70在不同核苷酸结合态下的全长结构有了更直观的认识，但对Hsp70的动态性质、变构的动力学、及与大底物的作用机制等重要信息尚不清楚。本项目以研究人源应激型Hsp70为模型，在不同结构域上进行位点特异性荧光标记，应用荧光共振能量传递技术，在系综及单分子水平，研究了Hsp70在不同核苷酸结合态的构象分布规律，揭示了Hsp70构象的动态和不均一性；研究了Hsp70与多种大小不同底物相互作用时的状态，发现了Hsp70可通过底物结构域的构象调节来适应与大体积底物的作用；研究了ATP诱导的Hsp70构象变化动力学并进行定量分析，揭示了结构域之间的运动顺序及通讯机制；研究了N端His-tag Hsp70功能异常的分子机制，并从变构动力学和单分子构象分布两个层面进行了合理解释。本项目的研究结果表明，与晶体学研究获得的Hsp70同源蛋白的静态结构信息不同，Hsp70具有高度动态性，这种动态性与Hsp70结构域之间的相互作用和构象变化密切相关，对Hsp70行使生物功能具有重要作用。本研究为揭示不同种类Hsp70之间的差别提供了新的线索，为进一步研究Hsp40等辅分子伴侣对Hsp70的调控机制奠定了基础。