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发现一类膜蛋白分子机器动力学过程中的一个全

文章作者:4858美高梅网址 上传时间:2019-09-20

近日,中国科学技术大学袁军华、张榕京课题组在生物分子机器领域取得新进展,发现一类膜蛋白分子机器动力学过程中的一个全新状态:暗态。研究结果以A hidden state in the turnover of a functioning membrane protein complex 为题发表在《科学进展》(Science Advances)上。

近日,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室及物理系的袁军华、张榕京课题组,在细菌运动行为研究领域取得新进展,发现细菌鞭毛转向别构调控中的非平衡因素,研究成果以Non-equilibriumeffectintheallostericregulationofthebacterialflagellarswitch 为题,发表在《自然-物理》(NaturePhysics,doi:10.1038/nphys4081)上。《自然-物理》在同期的“新闻视角”(NewsandViews)栏目,专门配发了题为Biomolecularswitches:Driventopeak 的评论文章。

膜蛋白分子机器是一类重要的分子机器,以往一般采用荧光技术对其活体动力学进行研究。由于荧光漂白效应,对单机器的动力学很难做长时间观测,有可能会忽略其动力学过程的某些重要信息,这些技术难点让相关研究面临很大的挑战。细菌鞭毛马达是一种典型的膜蛋白分子机器,袁军华、张榕京团队以其为例,发展了对单马达动力学进行长时间精确观测且对大量单马达数据进行统计物理分析的方法,从而发现了其动力学过程的暗态(hidden state)。

别构调控是指蛋白质复合体(proteincomplex)的一个位点结合效应因子后,通过长程构象变化来影响其它位点功能的现象。这是在生命现象中广泛存在的一个重要调控机制,普遍存在于酶的活性调节、信号转导系统的受体活性调节、离子通道调控、基因表达调控等重要生理过程中。别构调控这一现象通常是由平衡态模型来描述的。作为细菌运动行为基础的鞭毛马达转向调控,就是一个典型的别构调控过程。最近几十年来,人们一直在为这个调控过程是否有非平衡因素而各持己见、争论不休。该团队通过发展新的实验手段,系统测量了马达在各种实验条件下的转向改变动力学行为,明确地发现这个调控过程中的非平衡因素,并进一步提出了非平衡态模型,提出这个非平衡过程的能量输入机制,解决了这个长期以来的争议。

细菌鞭毛马达由多个定子产生力矩,近年来人们发现每个定子都随机地与马达结合与脱离,且其脱离概率取决于马达负载,所以定子与马达的结合是个典型的逆锁结合(Catch bond)。依靠这个机制,马达能适应不同的负载来调节其定子数。一直以来,大家认为定子与马达结合/脱离这个随机过程可由一个简单的双态模型来描述,每个定子可处于两种可能的状态:结合态与脱离态。该团队通过对大量单马达稳态下定子数目的长时间精确观测,统计出特定定子数的驻留时间分布,从而发现其分布形状是典型的双指数形式,而非双态模型预言的单指数形式。通过这些实验测量,结合对这个随机过程的理论分析,该团队发现了定子结合/脱离马达这个随机过程中的一个全新状态,提出了三态模型来描述这个随机过程,并进一步运用分子生物学结合统计物理分析,确定了暗态的存在及其特征。暗态的发现将进一步加深对马达动力学的理解。

这个非平衡机制的发现,也揭示了细菌鞭毛马达的力感应机制。该研究发现,虽然马达的能量输入仅有约0.2%用于别构调控,却很大程度上提高了马达对信号蛋白的灵敏度。这个发现对其它生物大分子机器的研究也有启发,预计在其它生物大分子机器中也会有这种将部分能量输入用于功能调控的非平衡现象。

暗态与结合态、脱离态相比,寿命短了2个数量级。这种巨大的时间尺度上的差异,使得以往传统的荧光或生物化学技术都很难发现该态。该团队此次提出的对生物动力学过程进行单分子/单马达/单过程的长时间精确观测,并结合驻留时间分布的统计物理分析,对其它生物马达、生物动力学过程的研究也有普遍意义。

该课题组的博士生王芳彬、史慧、何瑞是该文共同第一作者,袁军华和张榕京是通讯作者,其他作者还包括该团队的博士生汪仁杰。上述研究得到了国家基金委、中国科大创新团队基金、国家青年千人计划和安徽省自然基金的支持。

上述研究得到科技部、国家自然科学基金委、中国科大校创新团队基金的支持。

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论文链接

图:马达转向调控的理论模型(整个调控环有34个调控单元)a.平衡态模型中单个调控单元的自由能级图。每个单元可处于逆时针或顺时针态,并有一个信号蛋白CheY-P的结合位点。b.在平衡态模型中,相邻态之间的转换速率满足细致平衡。c.马达力矩提供了非平衡能量输入,增加了CCW和CW态之间的能量间隔。d.非平衡能量输入破坏了细致平衡,导致净反应速率流。

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马达定子在三态之间转换的示意图:U为脱离态,O为结合态,H为暗态。每个马达最多可有11个定子,这里只画了2个,其中右边定子一直处在O态,左边定子在三态之间随机转换。左下图为三态动力学模型。

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