基于電子順磁共振方法的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白三維結(jié)構(gòu)解析研究獲進(jìn)展

　　近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心-中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)雙聘教授田長(zhǎng)麟、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授張志勇及美國(guó)國(guó)家強(qiáng)磁場(chǎng)中心教授Likai Song密切合作，針對(duì)細(xì)菌氰根離子（CN-）解毒及跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)重要蛋白硫氰酸酶YgaP，通過系統(tǒng)構(gòu)建位點(diǎn)特異性電子自旋標(biāo)記（簡(jiǎn)稱SDSL），應(yīng)用電子順磁共振（簡(jiǎn)稱EPR），特別是脈沖雙電子偶極耦合(簡(jiǎn)稱DEER)方法，首次成功解析了YgaP的全長(zhǎng)三維結(jié)構(gòu)，并通過EPR動(dòng)態(tài)特性、順磁增強(qiáng)分子易趨性分析、距離測(cè)量等分析方法研究了YgaP蛋白跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)酶催化產(chǎn)物硫氰根離子(SCN-)的分子機(jī)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(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》雜志上(Sci. Rep. 6, 20025; doi: 10.1038/srep20025 (2016))。

　　膜蛋白三維結(jié)構(gòu)分析一直以來都是結(jié)構(gòu)生物學(xué)、細(xì)胞等生命活動(dòng)重要分子機(jī)制研究的前沿科學(xué)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但也有其應(yīng)用的局限性。近年來隨著電子順磁共振方法，特別是脈沖電子自旋共振方法的飛速發(fā)展，該方法越來越廣泛應(yīng)用于研究膜蛋白，特別是真核膜蛋白的在不同功能狀態(tài)下的構(gòu)象變化、動(dòng)態(tài)特性及分子機(jī)制分析。EPR方法在膜蛋白研究中擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，包括比核磁共振高近三個(gè)數(shù)量級(jí)的靈敏度；對(duì)膜蛋白分子量大小無限制；獲得蛋白動(dòng)力學(xué)信息；能檢測(cè)8埃到80埃的長(zhǎng)程距離信息；能開展磷脂等類生理環(huán)境中的膜蛋白研究等。

　　該工作中，研究人員首先使用連續(xù)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(jié)構(gòu)域的動(dòng)力學(xué)和易趨性信息，從而得到Y(jié)gaP跨膜結(jié)構(gòu)域的二級(jí)結(jié)構(gòu)特征；通過基于CW-EPR和脈沖DEER距離測(cè)量方法得到二體全長(zhǎng)YgaP蛋白中單體內(nèi)或單體間的距離約束信息；結(jié)合剛體(rigid-body)計(jì)算方法最終得到Y(jié)gaP蛋白的三維結(jié)構(gòu)。研究人員還應(yīng)用EPR方法分析了YgaP蛋白與酶催化產(chǎn)物SCN-結(jié)合前后的動(dòng)態(tài)特性和構(gòu)象變化，結(jié)果表明YgaP蛋白第二跨膜螺旋（TMH2）在結(jié)合底物SCN-后運(yùn)動(dòng)性下降，TMH2間的距離變小。該研究為國(guó)際上首次報(bào)道綜合應(yīng)用連續(xù)波、脈沖EPR及剛體計(jì)算方法的膜蛋白de novo結(jié)構(gòu)解析和動(dòng)態(tài)構(gòu)象分析，并將為其他真核膜蛋白的結(jié)構(gòu)研究提供一條新的途徑。

　　該項(xiàng)研究獲得合肥穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置電子自旋共振設(shè)備、美國(guó)國(guó)家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室電子自旋共振設(shè)施部的設(shè)備支持，在中國(guó)科技部國(guó)家重點(diǎn)科學(xué)研究基金、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院合肥大科學(xué)中心等項(xiàng)目支持下完成。