精密测量院在细胞结构生物学新方法研究方面取得新进展

近日，中国科学院精密测量院与大连化物所合作，提出一种利用原位化学交联-质谱技术（in vivo XL-MS）结合结构计算与模拟研究细胞中蛋白质动态结构的策略。该策略从蛋白质结构的先验信息（包括核磁结构、晶体结构和AlphaFold2预测的结构等）出发，将in vivo XL-MS获得的距离约束与多种结构计算方法结合，用于多种细胞内蛋白质结构重构，重点研究了多结构域蛋白质和天然无序蛋白的动态结构，有助于加深对细胞微环境中蛋白质发挥功能的分子机制的理解。该研究成果发表于《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.）

细胞结构生物学新方法的流程示意图

研究团队首先提出了一种针对多结构域蛋白质的结构重构策略。多结构域蛋白的不同结构域之间具有丰富的动态变化，而这些动态变化难以被常规的结构生物学方法和结构预测算法捕获。研究团队提出将单个结构域作为整体，利用结构域间的XL-MS数据对应的距离信息优化整体的三维结构。利用这种整体重构策略，成功表征了钙调蛋白、hnRNP A1和hnRNP D0三种蛋白质在细胞内的动态结构。天然无序蛋白具有重要的生物学功能，但是其高度的动态性使得传统的结构生物学方法难以解析其结构，AlphaFold2也不能准确预测。针对这一问题，研究团队提出了两种互补的结构表征策略：一是将XL-MS信息直接转换为距离约束用于天然无序蛋白结构的计算；二是首先使用全原子分子动力学模拟进行无偏采样，用基于XL-MS数据对采样结构进行评估和筛选。利用这两种互补的研究策略，团队成功解码了两种高速泳动的组蛋白HMG-I/Y和HMG-17在细胞内的系综构象。这两种互补的结构表征策略一方面实现了对天然无序蛋白分子构象的全面采样，另一方面通过结构聚类与重评估方法保证了结果的准确性与可靠性，避免了可能出现的过拟合状态，从而全面且客观地重构天然无序蛋白在细胞内的系综构象。这项研究为深入了解蛋白质在细胞中的功能提供了关键的工具和研究思路。

该论文的第一作者是大连化物所博士生张蓓蓉和精密测量院副研究员龚洲，通讯作者是大连化物所研究员张丽华、赵群和精密测量院龚洲。

该工作得到了国家自然科学基金重大项目、国家重点研发计划、中科院青促会等项目的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202301345