本報(bào)訊 10月8日，上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院、自然科學(xué)研究院洪亮特別研究員課題組與美國田納西大學(xué)生物化學(xué)和分子生物學(xué)系副教授 Nitin Jain 課題組合作，在《美國科學(xué)院院刊》(PNAS)上發(fā)表探索嗜熱細(xì)胞色素蛋白熱穩(wěn)定性機(jī)理的研究文章。該工作發(fā)現(xiàn)嗜熱細(xì)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(dòng)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(jì)提供了從熵出發(fā)的全新思路。
　　細(xì)胞色素 P450 是一種普遍存在于細(xì)菌、動(dòng)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(yán)苛的機(jī)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(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)所共同關(guān)注的問題。
　　在研究細(xì)胞色素 P450 蛋白質(zhì)家族時(shí)，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(jìn)行對比研究。通過使用中子散射與核磁共振譜實(shí)驗(yàn)對蛋白的動(dòng)力學(xué)進(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)示著必然有不同于常規(guī)的熱穩(wěn)定性機(jī)理在起作用。該團(tuán)隊(duì)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(gè)部分各自的貢獻(xiàn)。結(jié)果表明，單從焓的角度出發(fā)，CYP119 其實(shí)更不穩(wěn)定，因?yàn)槠潇实哪軌靖?。它之所以能耐高溫是由于這個(gè)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(dòng)力“不足。通過深入分析動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致 CYP119 解折疊的熵變小的一個(gè)重要原因是其在自然折疊態(tài)的時(shí)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(dòng)力去解折疊。不同于常規(guī)的“高焓”機(jī)理，本研究發(fā)現(xiàn)折疊態(tài)柔性強(qiáng)這種“高熵”狀態(tài)可以降低蛋白解折疊過程中熵的驅(qū)動(dòng)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(jì)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(qiáng)的蛋白，它有可能既具備耐熱性又有高活性的特征。
　　此項(xiàng)目受到國家自然科學(xué)基金以及中組部的支持。文章的第一作者是上海交通大學(xué)物理天文學(xué)院、自然科學(xué)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(xué) Nitin Jain 教授為本文的共同通訊作者。
（洪亮課題組）