原子尺度模拟揭示蛋白质非天然纠缠错误折叠机制及其在实验结构组中的验证

本研究通过全原子模拟和实验结构组分析，首次证实了非共价套索纠缠（noncovalent lasso entanglements）是导致单体蛋白质错误折叠的新机制。研究人员发现泛素（ubiquitin）和λ阻遏蛋白（λ-repressor）在模拟中形成短寿命纠缠态，而较大蛋白IspE则形成与天然态寿命相当的持久性错误折叠态。该成果为理解蛋白质稳态失衡相关疾病提供了新视角，发表于《Science Advances》。

　　

蛋白质作为生命活动的执行者，其正确折叠对功能至关重要。然而，细胞内存在多种导致蛋白质错误折叠的机制，如脯氨酸异构化、β链错位等。近年粗粒化模拟预测，非共价套索纠缠（由蛋白质片段形成闭环并穿入另一片段的结构）可能引发新型错误折叠，但高分辨率证据缺乏。这种拓扑学困境是否真实存在？其生物学意义如何？成为领域亟待解决的问题。

为解答这些问题，研究人员在《Science Advances》发表论文，通过全原子分子动力学模拟结合实验验证，系统研究了泛素、λ阻遏蛋白和IspE激酶的折叠行为。研究采用CHARMM36m力场进行微秒级模拟，结合有限蛋白酶解质谱（LiP-MS）和交联质谱（XL-MS）分析，通过阿伦尼乌斯外推法估算错误折叠态寿命，并利用JWalk算法计算溶剂可及表面距离（SASD）。

泛素和λ阻遏蛋白存在短寿命纠缠态

模拟显示，76个氨基酸的泛素和80个氨基酸的λ阻遏蛋白在高温（390K/350K）下会形成非天然纠缠态，其半径和溶解度与天然态相似。但在生理温度（310K）下，这些纠缠态寿命仅微秒级，因小蛋白易于通过解纠缠途径修复。

IspE激酶形成持久性错误折叠态

对283个氨基酸的IspE激酶研究发现，其错误折叠态在模拟中可持续数天至数月。阿伦尼乌斯分析显示，这些状态与天然态寿命相当（约3小时），且87%的二级结构保持完整。实验证实，IspE在复性1小时后仍存在显著结构差异，与模拟预测的长期错误折叠特性一致。

实验验证与结构一致性

通过LiP-MS检测到13个蛋白酶K切割位点、XL-MS发现20个交联位点的丰度变化。模拟结构聚类显示，88%的实验信号可由五个错误折叠簇解释，其中第3簇与22个实验信号匹配。这些状态虽错误折叠，但聚集倾向仅比天然态高<12%，说明其可长期保持可溶性。

该研究首次在原子尺度证实非天然纠缠是普遍存在的错误折叠机制，为理解"蛋白质稳态之谜"提供了新视角。这种拓扑学困境可能解释为何某些非功能性蛋白能长期存在于细胞而不被降解，为阿尔茨海默病等蛋白质构象疾病的研究开辟了新思路。研究提出的LiP-MS/XL-MS联合分析方法，为复杂蛋白质构象研究建立了新范式。