LEA蛋白重要功能区域在不同溶液中的NMR三维结构研究

Late embryogenesis abundant (LEA) proteins are well associated with the abiotic stress tolerance of the plants, such as dehydration, cold stress and salt stress. They are widely distributed in the plant kingdom and may play multifunctional roles, such as membrane stabilizing, ion binding and antioxidant during various stresses. Since the multifunctional capacity of the LEA proteins is probably attributable in part to their structural plasticity, it is necessary to learn the detailed structural information of the LEA proteins in different environments. However, there is few report on the atomic-level structures of the LEA proteins or their conserved motifs. In this research project, the three dimensional structures of some functional regions from LEA proteins, which have similar functions as full-length LEA proteins, will be studied by NMR spectroscopy and molecular dynamic simulation in various environments, such as membrane-mimetic and hydrophobic environments et al. In addition, the interactions between functional regions of LEA proteins and mimetic membrane or metal ions will be investigated by NMR spectroscopy. It is expected that this research work could provide an insight into structural plasticity of LEA proteins and a new understanding on the protein functions of membrane stability and metal ions binding.

在一些植物遭遇干旱、盐渍、寒冷等环境胁迫时，胚胎发育晚期丰富（LEA）蛋白能通过稳定细胞膜、离子结合和防止氧化等作用帮助植物抵抗胁迫。LEA蛋白的这种多功能性可能与其结构可塑性密切相关。然而目前人们还未能清楚认识LEA蛋白或其重要功能区域在不同环境中的三维结构特征。本项目选择了具有与全长蛋白类似功能的几个LEA蛋白重要功能区域作为研究对象,拟利用核磁共振波谱技术及分子动力学模拟计算等手段研究其在不同溶液环境包括膜模拟环境、疏水环境等中的三维结构，与模拟膜及金属离子的相互作用。期望通过比较其在不同溶液中的结构差异及变化规律为了解LEA蛋白结构可塑性提供线索；通过考查功能区域与模拟膜及与金属离子的作用方式为进一步理解其膜稳定功能及离子结合功能提供新的认识。

在一些植物遭遇干旱、盐渍、寒冷等环境胁迫时，胚胎发育晚期丰富（LEA）蛋白能通过稳定细胞膜、离子结合和防止氧化等作用帮助植物抵抗胁迫。LEA蛋白的这种多功能性可能与其结构可塑性密切相关。然而目前人们还未能清楚认识LEA蛋白或其重要功能区域在不同环境中的精细结构特征。本项目选择了具有与全长蛋白类似功能的几个LEA蛋白重要功能区域（LEA2蛋白的K片段和金属离子结合区域H片段，LEA3 11-motif片段）作为研究对象,获得了其在不同溶液环境包括膜模拟环境、疏水环境等中的结构信息：几个功能区域（K2、K3、H、6-11 motif）在水中均为无规结构；K3和6-11 motif随着50%三氟乙醇的加入而形成helix，K2和H在三氟乙醇/水中仍表现为无规结构；在阴性膜模拟环境SDS胶束溶液中，两个K片段及6-11 motif可形成helix结构，且螺旋含量均高于半疏水半亲水环境，H片段仍为无规结构。揭示了K片段和11-motif片段具有结构可塑性，即结构可能随着环境的改变而变化。H片段具有结合金属离子的能力，离子的结合不会对H片段的结构产生明显影响。H片段与Zn2+和Fe3+的结合方式可能有别于其它金属离子，结合位点可能包括残基H1、H5和H6。研究结果为了解LEA蛋白结构可塑性及离子结合提供了重要线索，为进一步理解其膜稳定功能提供了新的认识。