ATP在Hsp90功能中的结构作用：揭示分子伴侣调控新机制

本研究破解了Hsp90（热休克蛋白90）依赖ATP（三磷酸腺苷）却不依赖其水解的关键谜题，通过突变分析、光子诱导电子转移（PET）等技术，发现ATP的γ-磷酸基与R380（精氨酸380）的相互作用是稳定Hsp90"闭合钳"构象的结构基础，提出ATP作为"可断裂的连接器"调控分子伴侣功能的新模型，为癌症和神经退行性疾病治疗靶点开发提供新思路。

　　

在细胞这个精密运转的"分子工厂"中，有一类被称为"分子伴侣"的特殊蛋白质承担着关键的质量控制工作。其中，90千道尔顿热休克蛋白（Hsp90）就像一位严格的产品检验员，负责确保众多重要蛋白质（称为"客户蛋白"）保持正确的三维结构。令人费解的是，这位检验员的工作必须依赖ATP（三磷酸腺苷）提供的能量货币，却不需要真正"花费"这些能量——即不需要ATP水解。这个困扰科学家二十多年的谜题，终于在《Nature Communications》最新发表的研究中得到了突破性解答。

美国国立卫生研究院（NIH）国家糖尿病、消化和肾脏疾病研究所（NIDDK）的Michael Reidy和Daniel C. Masison领导的研究团队发现，ATP在Hsp90中扮演的角色远比想象中精妙。传统观点认为ATP水解提供的能量驱动Hsp90工作，但新研究揭示ATP实际上是个"分子魔术贴"——它的γ-磷酸基像一只灵活的小手，抓住M结构域中的R380精氨酸，把Hsp90的两个关键部分（N和M结构域）牢牢粘在一起形成"闭合钳"构象。这种独特的结构作用解释了为什么细胞只需要ATP结合而不需要其水解就能维持生命活动。

研究人员运用了几项关键技术：1）酵母遗传学筛选系统，通过5'-氟乳清酸（FOA）反选择精确评估Hsp90突变体的功能；2）光子诱导电子转移（PET）实时监测Hsp90构象变化；3）定点突变系统分析核苷酸结合口袋关键残基；4）ATP酶偶联检测评估水解活性。这些方法共同构建了从分子机制到生理功能的完整证据链。

正电荷在380位点是闭合钳稳定和体内Hsp90功能的关键
通过将R380突变为赖氨酸（R380K），研究证实只要保持正电荷就能维持Hsp90功能。PET实验显示R380K对ATP-γ-S的反应与野生型相同，但改变了与AMPPNP和ATP的相互作用模式，说明γ-磷酸基与R380的静电相互作用是稳定闭合钳的核心机制。

核苷酸结合口袋突变与核苷酸的协同效应改变Hsp90闭合动态
系统分析12个口袋残基突变体发现，所有功能性突变体（如K98A、F120A）至少能与一种核苷酸形成闭合钳，而非功能性突变体（如R32A、D40A）则完全丧失闭合能力。特别值得注意的是，G118A和G123A虽能闭合却表现出显性负效应，提示闭合能力是必要但不充分条件。

E372K通过恢复ATP-γ-S诱导的闭合挽救R32A和E33A的生长缺陷
位于R380邻近环上的E372K突变能特异性挽救R32A和E33A的缺陷，使ATP-γ-S重新稳定闭合钳构象，表明该区域在调控R380空间定位中的关键作用。

不同辅伴侣通过促进或抑制ATP-R380相互作用影响Hsp90构象动态
Stil将平衡推向开放状态，而Sba1和分子拥挤剂TMAO（三甲胺N-氧化物）则促进ATP诱导的闭合。当Sba1与TMAO共同作用时，ATP诱导的闭合程度达到与AMPPNP相当的水平，模拟了细胞内环境对Hsp90构象的调控。

F120通过协调与Cdc37的功能性相互作用调控Hsp90构象动态
F120位于R380附近，其芳香族侧链对R380的正确定位至关重要。所有带电荷的F120突变体均致死，而体积大的疏水氨基酸（F/Y/W）支持正常生长。特别重要的是，只有野生型苯丙氨酸能在Cdc37功能受损时维持细胞活力，揭示了F120-R380-Cdc37三者协同调控激酶客户蛋白成熟的精细机制。

这项研究颠覆了传统认知，提出ATP在Hsp90中的核心作用是作为"可断裂的连接器"：1）ATP结合后γ-磷酸基重定向与R380结合，形成稳定闭合钳的"分子桥"；2）水解（或ADP交换）切断这个连接，促进二聚体重新开放；3）辅伴侣和细胞环境精细调控这一过程的动力学。这种机制与AAA+ATP酶等蛋白质中普遍存在的"精氨酸指"（arginine finger） motif有本质区别——在那些系统中，精氨酸主要稳定亚基间相互作用，而Hsp90的R380则调控结构域内运动。

该发现具有多重重要意义：首先，解释了为什么ATP水解对Hsp90功能是非必需的——因为ATP本身的结构作用才是关键；其次，揭示了辅伴侣如Cdc37通过F120-R380界面调控激酶客户特异性的结构基础；最后，为开发新一代Hsp90靶向药物指明方向：与其单纯抑制ATP结合，不如设计稳定特定构象的小分子。正如作者强调的，这种"ATP作为结构元素"的新范式可能也适用于其他NTP酶系统，为理解生命分子机器的进化设计提供了全新视角。