关于蛋白质稳定性、热稳定性和别构信号传导之间的关系

《Journal of Molecular Biology》：On the relationship between protein stability, thermostability, and allosteric signalling

基于能量景观框架，本文系统研究了蛋白质结构稳定性与动态驱动的Allosteric调节的协同机制。通过分析四个功能迥异蛋白质家族（β-葡萄糖苷酶、腺苷酸激酶等）在不同热适应环境下的结构特征，揭示了折叠类型、大小及功能需求共同决定的稳定性基础，以及稳定性变化如何通过Allosteric信号传导影响功能调控。研究发现：大折叠（如β-葡萄糖苷酶）稳定性主要依赖范德华堆积，而小折叠（如CheY）则依赖盐桥和次级结构。突变分析表明，远离活性位点的极性→疏水/带电替换可通过增强表面疏水性提升稳定性，并产生显著Allosteric信号（Δh>0.6 kcal/mol）。特别在腺苷酸激酶中，验证了多突变互作（epistasis）现象，如M21A/V169E双突变通过负Allosteric信号改善生长率。最后，更新了AlloSigMA 3计算平台，实现基于氨基酸类型依赖的Miyazawa-Jernigan势的Allosteric自由能计算。

蛋白质的热力学稳定性及其功能调控之间的关系一直是分子生物学与生物物理交叉研究的重要课题。本研究通过分析不同环境条件下蛋白质的结构适应性与动态调控机制，揭示了稳定性与功能调节之间的复杂联系。这种联系不仅体现在蛋白质结构的适应性上，还涉及其动态变化，特别是在某些关键位点的调控。通过研究来自极端环境的微生物，如嗜冷菌、中温菌、嗜热菌和超嗜热菌的蛋白质，我们可以观察到蛋白质如何在不同温度下进行适应性调整，并如何通过动态调控机制实现其功能的变化。研究还利用了四种具有代表性的蛋白质：β-葡萄糖苷酶、腺苷酸激酶（AK）、无机焦磷酸酶（PPase）以及CheY信号传导蛋白，以探讨蛋白质结构和功能之间的普遍规律和特异性因素。

蛋白质的稳定性通常由其热力学特性决定，特别是通过其独特的原生构象集合与非原生构象之间的能量差异。这种能量差异可以防止蛋白质在高温或低温环境下发生自发解折叠，从而维持其结构完整性。同时，蛋白质的功能调控往往依赖于其在原生构象集合中的动态变化，例如通过构象选择和切换来实现。在本研究中，我们发现蛋白质的稳定性与动态调控之间存在紧密联系，这种联系不仅受到蛋白质结构的影响，还与特定的功能需求有关。

通过对8966种原核生物的蛋白质组数据进行分析，我们观察到一个普遍的趋势：随着环境温度的升高，蛋白质中疏水性和带电氨基酸的比例增加，而弱疏水性和极性氨基酸的比例则下降。这一现象被称为“从疏水性两端的趋势”，反映了蛋白质如何通过结构优化来适应极端温度。具体来说，疏水性氨基酸在蛋白质核心区域的比例较高，而带电氨基酸则在蛋白质表面区域更为常见。这种分布模式有助于维持蛋白质在不同温度下的稳定性，同时也为蛋白质的动态调控提供了基础。

此外，我们还发现蛋白质的结构和功能对其稳定性与动态调控的相互作用具有重要影响。例如，β-葡萄糖苷酶具有较大的α/β桶状结构，其稳定性主要依赖于范德华力等非特异性相互作用。而在较小的蛋白质结构中，如CheY和PPase，稳定性则更多地依赖于盐桥和二级结构元素。这些结构特征不仅影响蛋白质的稳定性，还决定了其动态调控的能力。例如，CheY的高二级结构含量可能有助于其在信号传导过程中保持结构的稳定性，同时允许其在特定条件下进行动态调控。

研究还进一步探讨了氨基酸替换对蛋白质稳定性与动态调控的影响。通过系统地替换极性氨基酸为疏水性或带电氨基酸，并分析其对蛋白质整体稳定性以及功能调控的影响，我们发现这些替换在不同蛋白质结构中会产生不同的效果。例如，在核心和中间区域的极性氨基酸替换通常会导致稳定性下降，但在表面区域则可能提升稳定性。这种变化不仅影响蛋白质的热力学性质，还可能通过动态调控机制影响其功能表现。特别是在腺苷酸激酶的研究中，我们发现其在开放和关闭构象之间的切换对功能调控具有重要作用。某些突变可能在开放构象中增强动态调控，而在关闭构象中则可能降低稳定性。

研究还揭示了蛋白质突变之间的表型相互作用，即表型基因相互作用（epistasis）。例如，某些单个突变可能导致蛋白质功能下降，但当这些突变组合在一起时，其对功能的影响可能变得复杂，甚至出现非加和性的效果。这种现象表明，蛋白质的动态调控不仅仅是单个突变的结果，还受到多个突变之间的协同作用影响。因此，在研究蛋白质功能调控时，必须考虑突变之间的相互作用。

为了深入研究这些机制，我们开发并应用了结构依赖的统计力学模型（SBSMMA）以及最新的AlloSigMA 3网络服务器。AlloSigMA 3能够高效计算突变和配体结合对蛋白质功能调控的影响，从而帮助研究人员更好地理解蛋白质的动态行为及其在不同环境条件下的适应性。该工具的使用不仅限于基础研究，还具有重要的应用价值，例如在疾病诊断、药物设计和蛋白质工程等领域。

综上所述，本研究揭示了蛋白质稳定性与动态调控之间的复杂关系，表明这两者共同构成了蛋白质功能的基础。蛋白质的适应性不仅体现在其结构的调整上，还通过动态调控机制实现其功能的灵活性。这一发现为蛋白质工程和药物设计提供了新的思路，也为理解蛋白质在极端环境中的适应性机制提供了理论支持。未来的研究可以进一步拓展这些发现，探索更多类型的蛋白质及其在不同环境条件下的适应性策略，从而推动生物医学和生物技术的发展。