EMBO:致病性蛋白質錯誤摺疊背後的關鍵控制元件

納米技術的金標準是天然蛋質。這些生物分子納米機制，如胺基酸肽鏈打造出的大分子，能夠摺疊成令人眼花繚亂的各種形狀和形式，這使它們能夠執行同樣令人眼花繚亂的多種基本生活功能。因為蛋白質摺疊實際上與所有生物系統實際上一樣重要，這一過程背後的機制仍然是一個謎。

一組研究人員與勞倫斯伯克利實驗室(Berkeley Lab) 使用先進光源特別亮而強的X-射線束已經確定了分子伴侶內一個關鍵控制元件的晶體結構，它是一個負責其他蛋白質正確摺疊的蛋白質複合物。摺疊的蛋白質與許多疾病相關，包括老年痴呆症、帕金森病和某些形式的癌症。首次確定了稱為核苷酸傳感環的II類伴侶分子內的一個區域，其中核苷酸感應環檢測點燃伴侶分子摺疊運動的三磷酸腺苷（ATP）分子。ATP水解對啟動蛋白質摺疊很重要，但是還不知道ATP活性如何被感應和傳遞。

伴侶分子啟動新翻譯蛋白和應激變性蛋白的正確摺疊，這裡的應激變性意味著它們已喪失自己的結構，通過將它們封裝入一個由背靠背堆疊分子複合物兩條鏈形成的保護室中。有兩類分子伴侶，I類在原核生物中，II類在真核生物中。大部分基本架構已經進化地保存在這些兩類分子中，但它們在保護室如何開放接受蛋白和封閉摺疊蛋白中所做的是不同的。而I類分子伴侶需要一個可拆卸的環狀分子蓋上打開的和關閉的保護室，II類分子伴侶則有一個內置蓋子。

獲得高解析度的晶體結構以便詳細地檢查核苷酸狀態改變對II類分子伴侶中ATP結合與水解的影響。從這些結構，可以觀察到核苷酸感應環監控變化的ATP結合位點並將此信息傳遍伴侶分子。進一步的功能分析表明核苷酸感應環區域利用這個信息來控制ATP結合與水解程度，反過來控制蛋白摺疊反應的進程。

雙環伴侶分子複合特以多亞基為特點，其中亞基分為三個區域，即頂端、中間和赤道。對於Ⅱ類分子伴侶，蛋白質摺疊蓋子的關閉導致所有三個區域作為一個單一剛體旋轉，這就導致保護室的構象變化，這裡的保護室就是使蛋白質在其裡面可被摺疊的室。同步的伴侶分子區域的旋轉取決於由核苷酸感應環提供的所有亞基的交流。在確定核苷酸感應環及其II類伴侶蛋白摺疊的控制作用中，可能已經開闢了一條新途徑，通過這條途徑可工程化修飾蛋白質摺疊活性。

不正確摺疊蛋與病理狀態間的密切關係是有大量文獻證明的。由於ATP水解是蛋白質摺疊所必需的，工程化指定伴侶蛋白中一個啟動減緩或加速蛋白摺疊活動的核苷酸感應環是可能的。例如，這可以用來增加人伴侶蛋白的蛋白質摺疊活動，或減少可能會導致疾病和其他問題的錯誤摺疊蛋白質的細胞內累積。

勞倫斯伯克利實驗室(Berkeley Lab)擁有結構生物學研究的獨一無二的蛋白質晶體學能力。

這項研究主要研究的是古核生物（archaeon，一種不依靠太陽的光和熱而生活在沸點溫度的細菌）伴侶蛋白。在接下來的研究中，將應用所學的來研究稱為TRiC的人伴侶蛋白。伴侶蛋白已演變到作用於特定底物，不同生物體伴侶蛋白的蛋白質摺疊率可能差異很大。與ATP水解相關的結構和生化鑑定變化提供了對每類伴侶蛋白的蛋白質摺疊複雜困惑的重要見解。（生物谷bioon.com）

Mechanism of nucleotide sensing in group II chaperonins

Jose H Pereira, Corie Y Ralston, Nicholai R Douglas, Ramya Kumar, Tom Lopez, Ryan P McAndrew, Kelly M Knee, Jonathan A King, Judith Frydman and Paul D Adams

Group II chaperonins mediate protein folding in an ATP-dependent manner in eukaryotes and archaea. The binding of ATP and subsequent hydrolysis promotes the closure of the multi-subunit rings where protein folding occurs. The mechanism by which local changes in the nucleotide-binding site are communicated between individual subunits is unknown. The crystal structure of the archaeal chaperonin from Methanococcus maripaludis in several nucleotides bound states reveals the local conformational changes associated with ATP hydrolysis. Residue Lys-161, which is extremely conserved among group II chaperonins, forms interactions with the γ-phosphate of ATP but shows a different orientation in the presence of ADP. The loss of the ATP γ-phosphate interaction with Lys-161 in the ADP state promotes a significant rearrangement of a loop consisting of residues 160-169. We propose that Lys-161 functions as an ATP sensor and that 160-169 constitutes a nucleotide-sensing loop (NSL) that monitors the presence of the γ-phosphate. Functional analysis using NSL mutants shows a significant decrease in ATPase activity, suggesting that the NSL is involved in timing of the protein folding cycle.