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蛋白-蛋白相互作用在细胞的信号传导中发挥着重要的作用。特异而高效的蛋白-蛋白相互作用往往需求精确互补的结合界面，即使是对于无序蛋白，结合也一般位于结构良好的结合位点。2018年，瑞士苏黎世大学的Benjamin Schuler课题组在Nature上首次报道了两个天然无序蛋白组蛋白H1.0和其伴侣蛋白前胸腺素α（ProTα）在高强度结合后依然保持高度动态的无序结构特征。2020年11月12日，该课题组在Nature Communication上发表文章：“Polyelectrolyte interactions enable rapid association and dissociation inhigh-affinity disordered protein complexes”，对天然无序蛋白的这一结合机制进行进一步的探究。 ——背景—— 通过与核小体结合而参与染色质凝聚的组蛋白H1.0（H1）是一个高度无序带有大量正电荷的蛋白，而其完全无序的伴侣蛋白前胸腺素α（ProTα）带有大量负电荷。Benjamin Schuler课题组研究发现，H1与ProTα以皮摩尔级的亲和力结合，但是结合以后的复合物依然保持动态与无序。通过计算模拟与核磁共振、单分子FRET等实验，该课题组得到了这种高度无序和动态的蛋白质复合物模型，并且认为这是一种广泛存在的无序蛋白结合模式。他们认为，H1-ProTα高亲和力、快速结合的相互作用来自于其带有的相反的高电荷，类似于由带电合成聚合物形成聚电解质复合物，但是其动力学机制有待进一步进行研究。
图1 H1与ProTα结合后依然保持高度无序 ——实验测定——
图2 结合/解离动力学与蛋白浓度高度相关 该课题组使用了固定分子的单分子FRET，将标记的ProTα固定在表面上。当仅加入未标记的H1时，双状态隐马尔科夫状态模型可以很好的解释单分子FRET实验结果。但当加入游离未标记ProTα后，实验结果需要三状态隐马尔科夫状态模型才可以得到较为良好的拟合结果。表明这种机制上的变化可以解释为在高蛋白质浓度下形成的瞬态三元复合物，加速结合和未结合态之间的交换速率。
图3 三元复合物的形成解释了结合动力学 ——动力学模拟—— 为了更好地说明结合与未结合态ProTα间的转换机制，该课题组进行了粗粒化的动力学模拟。在之前的研究中，该模型已被证明能良好的表现H1与ProTα蛋白复合物的构象与动力学性质。模拟观察到ProTα的“竞争替代”结合/解离过程。并且由于三元复合物本身的高电荷性，其存在寿命远远低于二元复合物。通过分子动力学模拟，初步说明了H1与ProTα无序蛋白复合物类似于聚电解质的相互作用动力学机制，解释了其能同时具有高亲和力和快速结合两个特点的原因。
图4 分子模拟的聚电解质相互作用机理 ——小结—— 结合以后的复合物依然保持动态与无序的天然无序蛋白H1与ProTα的结合/解离动力学，低蛋白浓度时表现为慢双态交换，而高蛋白浓度（近似生理浓度）时转变为快交换。该研究表明，这种机制上的变化可以解释为在高蛋白质浓度下形成的瞬态三元配合物。分子动力学模拟显示了这种聚电解质复合物的极端无序状态如何促进(i) 限制扩散的结合，(ii)瞬态三元复合物的形成，(iii) 单体间通过竞争取代的快速交换，这些共同导致了快速动力学。说明这种带有该电荷的无序蛋白在具有高亲和力的同时具有在生物体内调控中的快速响应能力。 参考文献： |
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