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ATP依赖性热环作为人CFTR第一核苷酸结合域热去折叠的基础
Guangyu Wang 加州大学戴维斯分校医学院 https://orcid.org/0000-0002-5581-6926
研究文章 关键词:协同错误折叠、网格热力特征、非共价结构、最不稳定相互作用、部分去折叠、熔解阈值。 发布日期:2024年11月21日 DOI: https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-5479740/v1 许可证:本作品采用知识共享署名4.0国际许可协议授权。阅读完整许可声明 附加声明:作者声明无利益冲突。
记录版本:该预印本的一个版本于2025年5月8日发表于《自然科学》(Natural Sciences)。参见发表版本:https://doi.org/10.1002/ntls.70007。第1页/共25页
## 摘要
传统上,蛋白质的热稳定性由熔解温度定义,即一半蛋白质发生去折叠时的温度。然而,这一定义无法揭示热诱导去折叠途径的结构起源。本文研究了人囊性纤维化跨膜传导调节因子第一核苷酸结合域ATP依赖性热诱导去折叠中的热环结构。结果表明,在包括F508del突变(囊性纤维化最常见的致病原因)在内的三种结构扰动之后,初始理论计算与实验测定的熔解阈值高度吻合。这一吻合进一步证明,热诱导去折叠过程始于沿单条肽链的最大热环内最不稳定非共价相互作用的破坏。与最不稳定非共价相互作用及两个核苷酸结合域ATP依赖性二聚化相关的C端区域,成为分离蛋白热稳定性以及缓解F508del突变所致热缺陷的潜在界面药物靶点的关键决定因素。这一突破性发现显著推进了我们对蛋白质活性、热稳定性和分子病理学的理解。
## 引言
蛋白质通常会在高于其进化来源生物体基础温度时发生去折叠。在某些错义突变中,去折叠转变会诱导蛋白质三级或二级结构的去折叠和/或毒性聚集,从而导致广泛、严重且流行的人类疾病(1–15)。然而,热去折叠途径的起源仍然难以捉摸,因为不同的生物物理测量方法会得出不同的结论。一个典型的例子是囊性纤维化跨膜传导调节因子(hCFTR)第一核苷酸结合域(hNBD1)中最常见的囊性纤维化致病突变F508del,该蛋白位于上皮细胞顶膜表面(16)。
CFTR是一种多结构域膜蛋白,由跨膜结构域1(TMD1)和2(TMD2)、核苷酸结合结构域1(NBD1)和2(NBD2)以及位于NBD1与TMD2之间的独特调节(R)结构域组成。尽管属于ATP结合盒(ABC)转运蛋白家族,它却作为ATP门控阴离子通道发挥作用。在R结构域磷酸化后,ATP依赖性的NBD二聚化允许构象波通过NBD1或NBD2与胞内环4(ICL4)或1(ICL1)之间的交换相互作用传递至TMD1和TMD2,从而实现通道开放(17–18)。
当删除调节插入片段(RI)(405–436)和延伸片段(RE)(647–678)以促进头尾同源二聚体的形成以及F508del-CFTR在组织培养细胞中的生物发生时(19–21),hNBD1-Δ(RI,RE)(387–646(Δ405–436))在0.125 mM ATP和10%甘油(一种分子伴侣,可增加稳定性)存在下表现出不同的熔解阈值(22)。尽管230 nm处的圆二色谱(CD,远紫外波长区域)显示显著的熔解温度阈值(Tm)为51°C,但297 nm处的CD(近紫外波长区域)和Trp荧光信号(激发波长290 nm,发射波长340 nm)显示其为45°C,与差示扫描量热法(DSC)去折叠曲线一致(22)。
同样,当F508也被删除时,(F508del)hNBD1-Δ(RI,RE)的远紫外CD Tm为46°C,而近紫外CD、DSC和固有Trp荧光测定的Tm为40°C。这些结果表明,无论是否存在F508,hNBD1-Δ(RI,RE)的热去折叠实际上始于三级结构的部分变化,在生理浓度ATP存在下导致无ATP的易聚集"熔球态"中间体(22)。
这些观察结果让人联想到三级结构中的部分热诱导去折叠,其在大鼠瞬时受体电位香草酸亚型1(rTRPV1)中导致从预开放关闭状态不可逆失活及随后聚集,这是在磷脂酰肌醇(PI)从活性香草酸位点释放后发生的(23–24)。尽管已有8°C下含或不含F508的hNBD1-Δ(RI,RE)的三维晶体结构,且hNBD1突变稳定性预测已取得一定计算成功(25),但初始热去折叠的精确结构基序或热力特征仍然未知。
最近,一种图论方法被开发出来,引入了一个新颖的概念、模型、方向,以及理解生物大分子温度敏感性的可行性。通过从高分辨率三维结构中绘制温度依赖性非共价相互作用(如氢键、盐桥和π相互作用)的网络,可以将各种尺寸的有序类流体网格全面约束并定义为温度敏感环或热环(thermorings)(23, 26–31)。由于每个热环在不同温度下对给定蛋白质的不同结构或功能特征做出贡献,特定的基于网格的局部热环可被识别为初始热去折叠的结构基序或热力特征。
在本研究中,分析了结合Mg/ATP的hNBD1在不同位点突变扰动下的热环结构。尽管F508的删除降低了hNBD1的计算熔解温度阈值(Tm),但随后删除(RE, RI)或三个第二位点抑制突变(3S, F429S/F494N/Q637R)则提高了该阈值。由于所有hNBD1构建体中破坏最不稳定非共价相互作用的最大热环的计算Tm值与初始实验值吻合,hNBD1的热去折叠可能始于沿单条肽链的最大热环中最不稳定非共价相互作用的熔解。值得注意的是,在3S突变之前,最不稳定非共价相互作用和NBD1-NBD1头尾二聚化均与hNBD1的C端区域密切相关,使该区域成为hNBD1热稳定性的关键决定因素以及挽救F508del突变体界面热缺陷的潜在药物靶点。
## 在hNBD1中鉴定具有相应熔解阈值的最大热环
在2–5 mM Mg/ATP和5%甘油(防止hNBD1聚集)存在下,分离的hNBD1为单体。该单条肽链从S388延伸至S678。X射线结构(PDB, 2BBO)显示调节插入片段(RI)(F405-L435)呈无序状态(32)。当Mg/ATP与hNBD1结合时,Mg²⁺将T465、Q493和D572连接在一起,形成残基大小为零的最小热环。同时,ATP将W401、K464、S466和L475连接在一起(图1a, S1)。即使没有其他hCFTR结构域,F508仍通过W496-F508、Y507-Y563-R516和Y517-Y512 π桥以及R516-N505和Y512-K503氢键形成强核心网格网络。总共有52个非共价相互作用和100个网格大小,计算得到的系统热不稳定性(Ti)为1.92(表1)。
## 表1 基于网格热力模型的热去折叠诱导的hNBD1构建体新参数。比较参数以粗体突出显示。
| 参数 | hCFTR-NBD1构建体 | | | | | |------|------|------|------|------|------| | PDB ID | 2BBO | 1XMJ | 2PZE | 2PZF | 2BBS | | F508 | + | - | + | - | - | | 3S(F429S/F494N/Q637R) | - | - | - | - | + | | (RE, RI) | + | + | - | - | + | | 甘油,% | 5 | 5 | 10 | 10 | 10 | | ATP,mM | 2–5 | 2–5 | 5 | 5 | 5 | | 采样温度,°C | 7 | 4 | 8 | 8 | 7 | | 寡聚状态 | 单体 | 单体 | 二聚体 | 二聚体 | 单体 | | 最大网格名称 | Grid16 | Grid20 | Grid13 | Grid17 | Grid16' | | 网格大小(s) | 16 | 20 | 13 | 17 | 16 | | 网格控制的能量等价基本氢键数(n) | 1.5 | 1.5 | 2.0 | 2.0 | 1.5 | | 总非共价相互作用数(N) | 52 | 46 | 41 | 46 | 44 | | 总网格大小(S),个氨基酸 | 100 | 86 | 73 | 89 | 95 | | 系统热不稳定性(Ti) | 1.92 | 1.87 | 1.78 | 1.93 | 2.16 | | 计算Tm,°C | 37 | 29 | 48 | 40 | 37 | | 测定阈值Tm,°C | 37 | 30 | 48 | 40 | 37 |