从自然序列多样性解析蛋白质折叠机制：进化能量场与折叠单元协同性的拓扑约束

研究人员通过分析蛋白质序列的进化约束，首次仅利用序列信息推断了球状蛋白质的折叠机制。该研究将氨基酸层面的进化能量场映射到粗粒化折叠单元（foldons），基于Ising链模型模拟了15个蛋白质家族数百种蛋白的折叠过程，揭示了蛋白质拓扑结构对折叠协同性的限制规律：β和α/β结构家族机制保守，而α拓扑允许多样性。该成果为理解蛋白质折叠动力学提供了新范式，突变效应预测可直接基于序列进化模型完成。

　　

蛋白质作为生命活动的执行者，其功能实现依赖于特定的三维结构。然而，从线性氨基酸序列到复杂空间结构的折叠过程，仍是现代分子生物学最深刻的谜题之一。传统研究依赖实验手段如X射线晶体学和核磁共振解析静态结构，或通过荧光标记、氢氘交换等技术追踪折叠动力学，但这些方法成本高昂且通量有限。与此同时，自然界亿万年的进化在蛋白质序列中留下了折叠规律的密码——如何破译这些信息成为关键挑战。

发表在《Biophysical Journal》的这项研究开创性地提出：仅通过分析自然序列多样性，就能逆向推导蛋白质折叠机制。研究团队开发了创新方法，将氨基酸序列的一阶和二阶进化能量场（evolutionary energy fields）转化为粗粒化的折叠单元（foldons）描述体系。foldons是蛋白质中连续折叠的结构单元，其协同作用决定了整体折叠路径。通过对15个不同拓扑结构蛋白质家族（涵盖α螺旋、β折叠及混合型）的上百种蛋白进行Ising链模型模拟，首次系统揭示了蛋白质拓扑结构对折叠机制多样性的约束规律。

关键技术包括：1）基于多序列比对构建进化能量场模型；2）将原子级能量场降维映射到foldons粗粒化体系；3）建立foldons间相互作用的Ising链数学模型；4）通过蒙特卡洛模拟预测折叠路径。所有分析均基于天然序列数据，无需实验结构信息。

蛋白质拓扑决定折叠机制多样性
研究发现β折叠和α/β混合型蛋白质家族尽管序列差异显著，却仅表现出少数几种折叠路径，表明其折叠机制高度保守。例如免疫球蛋白超家族（IgSF）的β桶结构，不同成员通过相似的foldons协同模式完成折叠。相比之下，α螺旋主导的蛋白质（如肌红蛋白家族）允许更灵活的折叠顺序，家族成员间展现出显著差异的折叠场景。

进化能量场预测突变效应
通过对比天然突变与人工设计的序列变体，证实进化能量场可准确预测折叠稳定性（ΔΔG）和协同性变化。特别值得注意的是，对α-乳清蛋白（α-LA）家族的分析显示，其钙结合位点的关键突变会通过远程作用改变foldons的耦合强度，这与已知的实验数据高度吻合。

拓扑约束的物理本质
进一步分析揭示，β结构的折叠保守性源于其长程相互作用的几何限制——β链间氢键网络形成严格的拓扑约束。而α螺旋的局部相互作用主导特性，使其foldons重组具有更高自由度。这种差异解释了为何α拓扑蛋白更易通过折叠路径变异适应功能进化。

这项研究建立了从序列到折叠动力学的完整理论框架，其重要意义在于：1）首次证明自然序列变异包含折叠机制的完整信息；2）提出foldons协同作用的Ising模型为理解蛋白质动力学提供新工具；3）揭示拓扑结构是折叠机制多样性的决定因素，为理性设计蛋白质折叠路径提供依据。该成果不仅推进了基础生物学认知，更为预测致病突变效应、设计功能性蛋白质开辟了新途径。