上海交大团队为耐热蛋白设计打开新思路

　　本报讯 10月8日，上海交通大学物理与天文学院、自然科学研究院洪亮特别研究员课题组与美国田纳西大学生物化学和分子生物学系副教授 Nitin Jain 课题组合作，在《美国科学院院刊》(PNAS)上发表探索嗜热细胞色素蛋白热稳定性机理的研究文章。该工作发现嗜热细胞色素蛋白由于其在自然折叠态较高的柔性，减小解折叠过程中熵的驱动力，获得耐高温的能力。这一发现为耐热蛋白的理性设计提供了从熵出发的全新思路。
　　细胞色素 P450 是一种普遍存在于细菌、动物及人体内的一类亚铁血红素蛋白，在药物代谢与排毒方面有着重要的作用，并协助人体合成包括胆固醇和类固醇在内的许多生命所必需的物质。然而，蛋白质大分子一般都不耐高温，这限制了其在高效的酶工程及严苛的机理研究中的应用。因此，如何提高蛋白的热稳定性成为了科学研究和工业生产所共同关注的问题。
　　在研究细胞色素 P450 蛋白质家族时，洪亮课题组及其合作者选取热稳定性高的嗜热蛋白 CYP119 与同家族的常规蛋白 CYP101A1 进行对比研究。通过使用中子散射与核磁共振谱实验对蛋白的动力学进行表征，他们发现在相同温度下，嗜热蛋白 CYP119 比常温蛋白 CYP101A1 具有更高的结构柔性。换句话说， CYP119 不仅耐高温，而且更活跃。这一反直觉的实验结果预示着必然有不同于常规的热稳定性机理在起作用。该团队通过圆二色谱以及荧光光谱定量测量了这两种蛋白在广阔的温度区间的解折叠自由能能垒，并分解出焓与熵两个部分各自的贡献。结果表明，单从焓的角度出发，CYP119 其实更不稳定，因为其焓的能垒更小。它之所以能耐高温是由于这个蛋白在解折叠过程中熵的增量非常小，即蛋白质解折叠的“内在动力“不足。通过深入分析动力学的实验数据，该团队发现导致 CYP119 解折叠的熵变小的一个重要原因是其在自然折叠态的时候柔性非常高，换言之它在折叠态的熵已经很大，没有多大动力去解折叠。不同于常规的“高焓”机理，本研究发现折叠态柔性强这种“高熵”状态可以降低蛋白解折叠过程中熵的驱动力，从而使得蛋白质耐高温。另外，“高熵”状态还将有助于提高酶的生物活性，比如结合更多种类的底物，更高催化效率等。本研究成果为将来设计新型耐热蛋白提供了全新的思路，即通过突变某些残基制备折叠态柔性强的蛋白，它有可能既具备耐热性又有高活性的特征。
　　此项目受到国家自然科学基金以及中组部的支持。文章的第一作者是上海交通大学物理天文学院、自然科学研究院洪亮课题组博士生刘卓，洪亮特别研究员和田纳西大学 Nitin Jain 教授为本文的共同通讯作者。
（洪亮课题组）