新型平均势函数在蛋白质反向折叠中的应用

利用蛋白质主链的极性分数及主链二面角为参量,构建了一种基于蛋白质结构数据库的势函数。将该势函数应用于蛋白质反向折叠研究中,发现该函数可成功地将蛋白质分子的天然构象从构建的构象库中识别出来;将一目标序列与构象库的每一可能的构象匹配,并用该势函数计算相应的能量,结果表明对绝大多数蛋白质分子来说,天然的构象的能量值总是最低。此外,该函数还将一些序列相似性较低,而结构相似性较高的蛋白质分子识别出来。我们认     

蛋白质的氧化重折叠

经过近几十年来广泛而深入的研究,蛋白质氧化重折叠的机制已得到相当详细的阐明。1在已研究过的蛋白质中,大多数蛋白质都是沿着多途径而非单一、特定的途径进行氧化重折叠,这与折叠能量景观学说是一致的。2正是氨基酸残基间的天然相互作用而不是非天然的相互作用控制蛋白质的折叠过程。这一结论与含非天然二硫键的折叠中间体在牛胰蛋白酶抑制剂（BPTI）折叠中所起的重要作用并非相互排斥,因为后者仅仅是进行链内二硫键重排的化学反应所必需,与控制肽链折叠无直接关系。3根据对BPTI的研究,二硫键曾被认为仅仅具有稳定蛋白质天然结构的作用,既不决定折叠途径也不决定其三维构象。这一观点不适用于其它蛋白质。对凝乳酶原的研究表明,天然二硫键的形成是恢复天然构象的前提。天然二硫键的形成与肽键的正确折叠相辅相成,更具有普遍意义。4在氧化重折叠的早期,二硫键的形成基本上是一个随机过程,随着肽链的折叠二硫键的形成越来越受折叠中间体构象的限制。提高重组蛋白质的复性产率是生物技术领域中的一个巨大的挑战。除了分子聚集外,在折叠过程中所形成的二硫键错配分子是导致低复性率的另一个主要原因。氧化重折叠机制的阐明为解决此问题提供了有益的启示。如上所述,在折叠的后期,二硫键的形成决定于折叠中间体的构象,类天然、有柔性的结构有利于天然二硫键形成和正确折叠,具有这类结构的分子为有效的折叠中间体,最终都能转变为天然产物;而无效折叠中间体往往具有稳定的结构,使巯基、二硫键内埋妨碍二硫键重排,并因能垒的障碍不利于进一步折叠。因此,降低无效折叠中间体的稳定性使之转变为有效折叠中间体是提高含二硫键蛋白质复性率的一条基本原则,实验证明,碱性pH、低温、降低蛋白质稳定性的试剂、蛋白质二硫键异构酶、改变蛋白质一级结构是实现这一原则的有效手段。此外,这里还就氧化重折叠的基础和应用研究的前景进行了讨论。     

重组蛋白包涵体的复性研究

重组蛋白在大肠杆菌中的高表达往往形成不可溶、无生物活性的包涵体,需经过变性溶解后,在适当条件下复性形成天然的构象,才可恢复其生物活性．变复性实验是建立在对蛋白质体外折叠机制的了解的基础上．根据近年来对蛋白质折叠机制的认识和重组蛋白包涵体在复性方面的主要进展,论述以下3个方面的内容：1)蛋白质在细胞内的折叠机制;2)蛋白质体外折叠机制;3)蛋白质复性的策略和方法．     

GroEL的耗能分子伴侣机制

双环结构Gro EL及其辅分子伴侣Gro ES是目前研究得最深入的分子伴侣.然而,Gro EL/Gro ES帮助蛋白质折叠的一些关键理化机制,尤其是水解ATP,Gro EL发生构象改变,能否主动调节蛋白质错误折叠中间体的构象,以促进错误折叠中间体的复性,仍然存在争议.结合本研究组近年的工作,作者着力介绍Gro EL促进蛋白质折叠的主动解折叠机制.     

基于HP模型的蛋白质折叠问题的研究

基于蛋白质二维HP模型提出改进的遗传算法对真实蛋白质进行计算机折叠模拟。结果显示疏水能量函数最小值的蛋白质构象对应含疏水核心的稳定结构,疏水作用在蛋白质折叠中起主要作用。研究表明二维HP模型在蛋白质折叠研究中是可行的和有效的并为进一步揭示蛋白质折叠机理提供重要参考信息。     

人肌和兔肌肌酸激酶在低pH条件下再折叠的研究

利用蛋白质内源荧光和远紫外ＣＤ光谱研究了在低ｐＨ条件下人肌肌酸激酶和兔肌肌酸激酶的构象状态。结果表明,在低离子强度下,随着酸的加入人肌和兔肌肌酸激酶去折叠,至ｐＨ２．０附近几乎都达到充分去折叠。它们的色氨酸荧光发射峰位红移至３５０ｎｍ,这表明了内埋的色氨酸残基已经完全暴露到极性溶剂之中,它们的远紫外ＣＤ光谱表明二级结构也遭破坏,但是仍保留有相当部分的二级结构。而且在高离子强度低ｐＨ条件下由Ｇｏｔｏ等人首先发现的中间体构象状态（融球结构状态）在我们的实验中也被观察到了。它具有与天然酶类似的二级结构。色氨酸荧光发射光谱表明与天然酶类似,它的最大发射峰位也为３３５ｎｍ表明了蛋白质已经完全折叠,然而其荧光强度远低于天然酶,表明这种结构状态具有较大运动性而导致荧光的动态淬灭。上述结果支持了Ｇｏｔｏ等人的发现,说明了融球中间体结构可能是蛋白质折叠过程需经历的一个中间态。     

蛋白质构象病

蛋白质的空间结构又称为三维结构或构象（conformation）,特定的空间构象是蛋白质发挥其各种功能的结构基础。由于蛋白质担负着复杂的生化反应,因此在生物合成以后,蛋白质本身也经历着复杂的生理过程;蛋白质自翻译以后,需进行一系列的翻译后过程,包括跨膜转运、修饰加工、折叠复性、生化反应、生物降解等,这些过程都伴随着蛋白质的结构转换。随着对疯牛病的研究,人们发现：蛋白质分子的氨基酸序列虽不改变,但其空间结构或构象的改变也能引起疾病。同时,越来越多的研究表明,一些遗传性疾病是由于基因突变导致了蛋白质的错误折叠,这些突变并不直接影响蛋白质的功能结构域,但由于蛋白质的错误折叠,干扰了其正确运输,形成对细胞有毒性作用的聚积物。     

多酚化合物对蛋白质构象疾病的抑制作用研究进展

多酚化合物是广泛存在于中草药或植物性食物中的生物活性分子。大量研究表明多酚化合物对蛋白质构象疾病具有防治作用，如可通过疏水作用抑制蛋白质或多肽形成淀粉样纤维或解聚淀粉样纤维，或者通过其抗氧化性降低淀粉样纤维对细胞的氧化损伤。本文综述了近年来中草药或食物来源的天然多酚化合物体外抑制蛋白质或多肽错误折叠和淀粉样纤维形成，以及在动物疾病模型体内的抑制效果及作用机理的研究进展，以期为该类化合物预防和减轻蛋白质构象疾病的应用提供基础参考。     

错误折叠蛋白质的聚集效应及其对策

错误折叠蛋白质大量聚集将引发蛋白质构象紊乱症(protein conformational disorder,PCD)。目前的研究发现,蛋白质聚集过程中的中间体(纤维前体,pre—fibfillar)导致细胞膜结构受损,从而诱发细胞凋亡。根据这一原理设计出的抗纤维前体抗体和干扰肽可以作为PCD治疗的一般性方法。此外,该就消除错误折叠蛋白质聚集的研究方向作了展望。     

蛋白质工程和蛋白质折叠

蛋白质一级结构决定着高级结构。蛋白质肽链在适宜条件下会自动卷曲形成其相应的高级结构,即自动发生蛋白质折叠,其自动发生的原因和过程仍不十分清楚,但是随着蛋白质工程的日益兴起,这些与折叠有关的问题也愈显重要,就此已有文章进行过讨论[1,2]。反之,如把新兴的蛋白质工程手段(尤其是基因定点诱变技术)应用来研究这些折叠问题,必将推动蛋白质折叠的研究。本文将就蛋白质折叠与蛋白质工程相互影响的一些例子进行讨论。     

从量子跃迁观点对蛋白质折叠速率的统计分析

理解蛋白质折叠速率是探明蛋白质结构和折叠机制物理基础的关键.蛋白质折叠速率的温度依赖关系是当前一个未解决的难题.假定蛋白质折叠是一个分子构象间的量子跃迁,导出了一个蛋白质折叠速率的解析公式.由此公式出发,计算了资料库中二态蛋白质的折叠速率和研究了它们的温度依赖性.从第一性原理出发,对实验给出的16个二态蛋白质折叠速率的非阿列尼乌斯(non-Arrhenius)温度关系给予成功解释,进而预测了这些蛋白质解折叠速率的温度依赖关系.依据量子折叠理论,给出了一个预测二态蛋白质折叠速率的统计公式,用于65个蛋白的资料库,理论和实验比较的相关系数为0.73.此外,理论还给出了与实验结果一致的最大和最小折叠速率估计.     

蛋白质折叠类型分类方法及分类数据库

蛋白质折叠规律研究是生命科学重大前沿课题,折叠分类是蛋白质折叠研究的基础。目前的蛋白质折叠类型分类基本上靠专家完成,不同的库分类并不相同,迫切需要一个建立在统一原理基础上的蛋白质折叠类型数据库。本文以ASTRAL-1.65数据库中序列同源性在25%以下、分辨率小于2.5的蛋白为基础,通过对蛋白质空间结构的观察及折叠类型特征的分析,提出以蛋白质折叠核心为中心、以蛋白质结构拓扑不变性为原则、以蛋白质折叠核心的规则结构片段组成、连接和空间排布为依据的蛋白质折叠类型分类方法,建立了低相似度蛋白质折叠分类数据库——LIFCA,包含259种蛋白质折叠类型。数据库的建立,将为进一步的蛋白质折叠建模及数据挖掘、蛋白质折叠识别、蛋白质折叠结构进化研究奠定基础。     

蛋白质的结构转换

许多不相关的蛋白质含有相同的短肽序列却形成不同的空间构象. 结构转换广泛存在于蛋白质折叠和功能过程中, 具有重要的生物学意义. 综述了Serpin和EF-Tu的失活、血细胞凝集素的激活、蛋白酶成熟、亚基装配和蛋白质淀粉样化等过程中肽链同源肽段的结构转换模式, 并讨论了它在理解蛋白质折叠机理和“构象病”病因中的应用.     

激光拉曼光谱在蛋白质构象研究中的应用和进展

激光拉曼光谱法被公认为是研究生物大分子的结构、动力学和功能的有效方法。近年来拉曼光谱在蛋白质构象研究中的最新进展,涉及到拉曼光谱在非折叠蛋白质、蛋白质装配的特征描述,拉曼晶体学在实时监控蛋白质单晶中化学变化等方面的应用。另外,介绍了蛋白质拉曼光谱分析在生物技术中的应用现状。并对拉曼光谱技术在蛋白质等生物大分子领域中的研究前景做了进一步的展望。     

用计算机折叠蛋白质:我们走了多远?(英文)

蛋白质折叠是现代科学最具挑战性的难题之一。Anfinsen的先驱性工作已经过去数十年了,我们对蛋白质折叠的机理仍不甚了然。但值得庆幸的是,科学工作者们在解析几个模型蛋白质的折叠机理上已经取得了明显的进展。这篇综述将主要回顾在蛋白质折叠的计算研究方面的进展。受益于计算机技术的迅猛发展,在1998年首次实现了一个微秒的全原子水平的蛋白质折叠,从2000年开始,folding@home将全球分布式计算技术应用于蛋白质折叠。在经历了数十年艰苦的努力之后,天然蛋白质亚埃精度的折叠终于在2007年成功实现。近年来,一种全新的概念开始出现,人们越来越多地用网络来解释蛋白质折叠的机理。随着分子力场的不断完善,分子模拟将会在解析蛋白质折叠的机理上起到越来越重要的作用。     

大肠杆菌二硫键形成蛋白A（DsbA）研究进展

二硫键形成蛋白A(DisulfidebondformationproteinA,DsbA)是存在于大肠杆菌周质胞腔内的一种参与新生蛋白质折叠过程中催化二硫键形成的折叠酶。综述了DsbA三维结构、进化过程、协助蛋白质体内外复性方面的研究进展。DsbA比硫氧还原蛋白具有更强的氧化性,其强氧化性来自于Cys30残基异常低的pKa值和不稳定的氧化型结构,通过定点突变的研究表明了Cys30残基是DsbA活性中心最关键的氨基酸残基之一。DsbA不论在体内与目标蛋白融合表达还是在体外以折叠酶形式添加,都能有效地催化蛋白质的折叠复性,同时DsbA还具有部分分子伴侣的活性。     

天然无折叠蛋白质

天然无折叠蛋白质是一类与传统蛋白质结构完全不同的蛋白质,这类蛋白质的数目在不断地增加。它们的出现是对蛋白质学科基本信条的挑战。     

动力学接触序: 基于量子跃迁的蛋白质折叠速率参数

把蛋白质折叠看成多肽链上扭转态间的量子跃迁, 依据构象动力学的量子理论, 提出用接触残基间多肽链转动惯量和扭转势能来表征接触特性的动力学接触序, 从而能定量地从动力学角度研究蛋白质折叠速率. 在80个蛋白的数据集上实验, 证实了构象量子跃迁观点的合理性并得到以下结论: (1) 折叠速率与接触转动惯量之间存在显著相关性; (2) 多态蛋白的折叠可以看成在同样转动惯量、温度等条件下的二态蛋白折叠基础上的中间态延迟, 并估计了延迟时间的数量级; (3) 折叠可以分为释能和吸能两类, 蛋白质折叠速率上限由释能折叠决定, 并导出大多数折叠速率大的二态蛋白的量子跃迁过程为释能反应, 而折叠速率小的多态蛋白为吸能反应.     

大肠杆菌二硫键形成蛋白A（DsbA）研究进展

二硫键形成蛋白A（Disulfide bond formation protein A,DsbA）是存在于大肠杆菌周质胞腔内的一种参与新生蛋白质折叠过程中催化二硫键形成的折叠酶。综述了DsbA三维结构、进化过程、协助蛋白质体内外复性方面的研究进展。DsbA比硫氧还原蛋白具有更强的氧化性,其强氧化性来自于Cys³⁰残基异常低的pKa值和不稳定的氧化型结构,通过定点突变的研究表明了Cys³⁰残基是DsbA活性中心最关键的氨基酸残基之一。DsbA不论在体内与目标蛋白融合表达还是在体外以折叠酶形式添加,都能有效地催化蛋白质的折叠复性,同时DsbA还具有部分分子伴侣的活性。     

分子生物物理的一些前沿领域

分子生物物理是80年代发展迅速、成就突出的一个学科领域,它的一些主要前沿已经成为了解一些重要生命现象分子机理的关键。进入90年代,分子生物物理面临更加迅速发展的新机遇。本文概要介绍了分子生物物理一些前沿领域的研究现状及其近期展望,主要涉及生物大分子的晶体结构和溶液结构(二维和三维核磁共振)研究,核酸与蛋白质的专一辨识和相互作用,蛋白质折叠研究,新蛋白质的设计与构建等方面。