基於電子順磁共振方法的跨膜轉運蛋白三維結構解析研究獲進展

2020-11-24 中國科學院

基於電子順磁共振方法的跨膜轉運蛋白三維結構解析研究獲進展

2016-02-23 合肥物質科學研究院

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　　近日，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心-中國科學技術大學雙聘教授田長麟、中國科學技術大學教授張志勇及美國國家強磁場中心教授Likai Song密切合作，針對細菌氰根離子（CN-）解毒及跨膜轉運重要蛋白硫氰酸酶YgaP，通過系統構建位點特異性電子自旋標記（簡稱SDSL），應用電子順磁共振（簡稱EPR），特別是脈衝雙電子偶極耦合(簡稱DEER)方法，首次成功解析了YgaP的全長三維結構，並通過EPR動態特性、順磁增強分子易趨性分析、距離測量等分析方法研究了YgaP蛋白跨膜轉運酶催化產物硫氰根離子(SCN-)的分子機制。該研究成果以Structure of an E. coli integral membrane sulfurtransferase and its structural transition upon SCN−binding defined by EPR-based hybrid method 為題在線發表在《科學報告》雜誌上(Sci. Rep. 6, 20025; doi: 10.1038/srep20025 (2016))。

　　膜蛋白三維結構分析一直以來都是結構生物學、細胞等生命活動重要分子機制研究的前沿科學問題。目前其主要研究方法有X射線晶體衍射、核磁共振和冷凍電鏡。這些方法有各自獨特的優勢，但也有其應用的局限性。近年來隨著電子順磁共振方法，特別是脈衝電子自旋共振方法的飛速發展，該方法越來越廣泛應用於研究膜蛋白，特別是真核膜蛋白的在不同功能狀態下的構象變化、動態特性及分子機制分析。EPR方法在膜蛋白研究中擁有獨特的優勢，包括比核磁共振高近三個數量級的靈敏度；對膜蛋白分子量大小無限制；獲得蛋白動力學信息；能檢測8埃到80埃的長程距離信息；能開展磷脂等類生理環境中的膜蛋白研究等。

　　該工作中，研究人員首先使用連續波（Continuous wave, CW）EPR方法（包括譜線分析、功率飽和等方法）獲得YgaP蛋白跨膜結構域的動力學和易趨性信息，從而得到YgaP跨膜結構域的二級結構特徵；通過基於CW-EPR和脈衝DEER距離測量方法得到二體全長YgaP蛋白中單體內或單體間的距離約束信息；結合剛體(rigid-body)計算方法最終得到YgaP蛋白的三維結構。研究人員還應用EPR方法分析了YgaP蛋白與酶催化產物SCN-結合前後的動態特性和構象變化，結果表明YgaP蛋白第二跨膜螺旋（TMH2）在結合底物SCN-後運動性下降，TMH2間的距離變小。該研究為國際上首次報導綜合應用連續波、脈衝EPR及剛體計算方法的膜蛋白de novo結構解析和動態構象分析，並將為其他真核膜蛋白的結構研究提供一條新的途徑。

　　該項研究獲得合肥穩態強磁場實驗裝置電子自旋共振設備、美國國家強磁場實驗室電子自旋共振設施部的設備支持，在中國科技部國家重點科學研究基金、國家自然科學基金、中科院合肥大科學中心等項目支持下完成。

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系統構建位點特異電子自旋標記及電子順磁共振方法獲得膜蛋白三維結構

　　近日，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心-中國科學技術大學雙聘教授田長麟、中國科學技術大學教授張志勇及美國國家強磁場中心教授Likai Song密切合作，針對細菌氰根離子（CN-）解毒及跨膜轉運重要蛋白硫氰酸酶YgaP，通過系統構建位點特異性電子自旋標記（簡稱SDSL），應用電子順磁共振（簡稱EPR），特別是脈衝雙電子偶極耦合(簡稱DEER)方法，首次成功解析了YgaP的全長三維結構，並通過EPR動態特性、順磁增強分子易趨性分析、距離測量等分析方法研究了YgaP蛋白跨膜轉運酶催化產物硫氰根離子(SCN-)的分子機制。該研究成果以Structure of an E. coli integral membrane sulfurtransferase and its structural transition upon SCN−binding defined by EPR-based hybrid method 為題在線發表在《科學報告》雜誌上(Sci. Rep. 6, 20025; doi: 10.1038/srep20025 (2016))。
　　膜蛋白三維結構分析一直以來都是結構生物學、細胞等生命活動重要分子機制研究的前沿科學問題。目前其主要研究方法有X射線晶體衍射、核磁共振和冷凍電鏡。這些方法有各自獨特的優勢，但也有其應用的局限性。近年來隨著電子順磁共振方法，特別是脈衝電子自旋共振方法的飛速發展，該方法越來越廣泛應用於研究膜蛋白，特別是真核膜蛋白的在不同功能狀態下的構象變化、動態特性及分子機制分析。EPR方法在膜蛋白研究中擁有獨特的優勢，包括比核磁共振高近三個數量級的靈敏度；對膜蛋白分子量大小無限制；獲得蛋白動力學信息；能檢測8埃到80埃的長程距離信息；能開展磷脂等類生理環境中的膜蛋白研究等。
　　該工作中，研究人員首先使用連續波（Continuous wave, CW）EPR方法（包括譜線分析、功率飽和等方法）獲得YgaP蛋白跨膜結構域的動力學和易趨性信息，從而得到YgaP跨膜結構域的二級結構特徵；通過基於CW-EPR和脈衝DEER距離測量方法得到二體全長YgaP蛋白中單體內或單體間的距離約束信息；結合剛體(rigid-body)計算方法最終得到YgaP蛋白的三維結構。研究人員還應用EPR方法分析了YgaP蛋白與酶催化產物SCN-結合前後的動態特性和構象變化，結果表明YgaP蛋白第二跨膜螺旋（TMH2）在結合底物SCN-後運動性下降，TMH2間的距離變小。該研究為國際上首次報導綜合應用連續波、脈衝EPR及剛體計算方法的膜蛋白de novo結構解析和動態構象分析，並將為其他真核膜蛋白的結構研究提供一條新的途徑。
　　該項研究獲得合肥穩態強磁場實驗裝置電子自旋共振設備、美國國家強磁場實驗室電子自旋共振設施部的設備支持，在中國科技部國家重點科學研究基金、國家自然科學基金、中科院合肥大科學中心等項目支持下完成。
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系統構建位點特異電子自旋標記及電子順磁共振方法獲得膜蛋白三維結構

列印 責任編輯：葉瑞優

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