本報訊 10月8日，上海交通大學物理與天文學院、自然科學研究院洪亮特別研究員課題組與美國田納西大學生物化學和分子生物學系副教授 Nitin Jain 課題組合作，在《美國科學院院刊》(PNAS)上發(fā)表探索嗜熱細胞色素蛋白熱穩(wěn)定性機理的研究文章。該工作發(fā)現(xiàn)嗜熱細胞色素蛋白由于其在自然折疊態(tài)較高的柔性，減小解折疊過程中熵的驅(qū)動力，獲得耐高溫的能力。這一發(fā)現(xiàn)為耐熱蛋白的理性設(shè)計提供了從熵出發(fā)的全新思路。
　　細胞色素 P450 是一種普遍存在于細菌、動物及人體內(nèi)的一類亞鐵血紅素蛋白，在藥物代謝與排毒方面有著重要的作用，并協(xié)助人體合成包括膽固醇和類固醇在內(nèi)的許多生命所必需的物質(zhì)。然而，蛋白質(zhì)大分子一般都不耐高溫，這限制了其在高效的酶工程及嚴苛的機理研究中的應(yīng)用。因此，如何提高蛋白的熱穩(wěn)定性成為了科學研究和工業(yè)生產(chǎn)所共同關(guān)注的問題。
　　在研究細胞色素 P450 蛋白質(zhì)家族時，洪亮課題組及其合作者選取熱穩(wěn)定性高的嗜熱蛋白 CYP119 與同家族的常規(guī)蛋白 CYP101A1 進行對比研究。通過使用中子散射與核磁共振譜實驗對蛋白的動力學進行表征，他們發(fā)現(xiàn)在相同溫度下，嗜熱蛋白 CYP119 比常溫蛋白 CYP101A1 具有更高的結(jié)構(gòu)柔性。換句話說， CYP119 不僅耐高溫，而且更活躍。這一反直覺的實驗結(jié)果預(yù)示著必然有不同于常規(guī)的熱穩(wěn)定性機理在起作用。該團隊通過圓二色譜以及熒光光譜定量測量了這兩種蛋白在廣闊的溫度區(qū)間的解折疊自由能能壘，并分解出焓與熵兩個部分各自的貢獻。結(jié)果表明，單從焓的角度出發(fā)，CYP119 其實更不穩(wěn)定，因為其焓的能壘更小。它之所以能耐高溫是由于這個蛋白在解折疊過程中熵的增量非常小，即蛋白質(zhì)解折疊的“內(nèi)在動力“不足。通過深入分析動力學的實驗數(shù)據(jù)，該團隊發(fā)現(xiàn)導致 CYP119 解折疊的熵變小的一個重要原因是其在自然折疊態(tài)的時候柔性非常高，換言之它在折疊態(tài)的熵已經(jīng)很大，沒有多大動力去解折疊。不同于常規(guī)的“高焓”機理，本研究發(fā)現(xiàn)折疊態(tài)柔性強這種“高熵”狀態(tài)可以降低蛋白解折疊過程中熵的驅(qū)動力，從而使得蛋白質(zhì)耐高溫。另外，“高熵”狀態(tài)還將有助于提高酶的生物活性，比如結(jié)合更多種類的底物，更高催化效率等。本研究成果為將來設(shè)計新型耐熱蛋白提供了全新的思路，即通過突變某些殘基制備折疊態(tài)柔性強的蛋白，它有可能既具備耐熱性又有高活性的特征。
　　此項目受到國家自然科學基金以及中組部的支持。文章的第一作者是上海交通大學物理天文學院、自然科學研究院洪亮課題組博士生劉卓，洪亮特別研究員和田納西大學 Nitin Jain 教授為本文的共同通訊作者。
（洪亮課題組）