近日，中國科學(xué)院精密測量院與大連化物所合作，提出一種利用原位化學(xué)交聯(lián)-質(zhì)譜技術(shù)（in vivo XL-MS）結(jié)合結(jié)構(gòu)計(jì)算與模擬研究細(xì)胞中蛋白質(zhì)動態(tài)結(jié)構(gòu)的策略。該策略從蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的先驗(yàn)信息（包括核磁結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和AlphaFold2預(yù)測的結(jié)構(gòu)等）出發(fā)，將in vivo XL-MS獲得的距離約束與多種結(jié)構(gòu)計(jì)算方法結(jié)合，用于多種細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)重構(gòu)，重點(diǎn)研究了多結(jié)構(gòu)域蛋白質(zhì)和天然無序蛋白的動態(tài)結(jié)構(gòu)，有助于加深對細(xì)胞微環(huán)境中蛋白質(zhì)發(fā)揮功能的分子機(jī)制的理解。該研究成果發(fā)表于《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angew. Chem. Int. Ed.）

細(xì)胞結(jié)構(gòu)生物學(xué)新方法的流程示意圖

研究團(tuán)隊(duì)首先提出了一種針對多結(jié)構(gòu)域蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)重構(gòu)策略。多結(jié)構(gòu)域蛋白的不同結(jié)構(gòu)域之間具有豐富的動態(tài)變化，而這些動態(tài)變化難以被常規(guī)的結(jié)構(gòu)生物學(xué)方法和結(jié)構(gòu)預(yù)測算法捕獲。研究團(tuán)隊(duì)提出將單個結(jié)構(gòu)域作為整體，利用結(jié)構(gòu)域間的XL-MS數(shù)據(jù)對應(yīng)的距離信息優(yōu)化整體的三維結(jié)構(gòu)。利用這種整體重構(gòu)策略，成功表征了鈣調(diào)蛋白、hnRNP A1和hnRNP D0三種蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的動態(tài)結(jié)構(gòu)。天然無序蛋白具有重要的生物學(xué)功能，但是其高度的動態(tài)性使得傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)生物學(xué)方法難以解析其結(jié)構(gòu)，AlphaFold2也不能準(zhǔn)確預(yù)測。針對這一問題，研究團(tuán)隊(duì)提出了兩種互補(bǔ)的結(jié)構(gòu)表征策略：一是將XL-MS信息直接轉(zhuǎn)換為距離約束用于天然無序蛋白結(jié)構(gòu)的計(jì)算；二是首先使用全原子分子動力學(xué)模擬進(jìn)行無偏采樣，用基于XL-MS數(shù)據(jù)對采樣結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估和篩選。利用這兩種互補(bǔ)的研究策略，團(tuán)隊(duì)成功解碼了兩種高速泳動的組蛋白HMG-I/Y和HMG-17在細(xì)胞內(nèi)的系綜構(gòu)象。這兩種互補(bǔ)的結(jié)構(gòu)表征策略一方面實(shí)現(xiàn)了對天然無序蛋白分子構(gòu)象的全面采樣，另一方面通過結(jié)構(gòu)聚類與重評估方法保證了結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性，避免了可能出現(xiàn)的過擬合狀態(tài)，從而全面且客觀地重構(gòu)天然無序蛋白在細(xì)胞內(nèi)的系綜構(gòu)象。這項(xiàng)研究為深入了解蛋白質(zhì)在細(xì)胞中的功能提供了關(guān)鍵的工具和研究思路。

該論文的第一作者是大連化物所博士生張蓓蓉和精密測量院副研究員龔洲，通訊作者是大連化物所研究員張麗華、趙群和精密測量院龔洲。

該工作得到了國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院青促會等項(xiàng)目的資助。

文章鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202301345