G-四联体通过重塑能量景观催化蛋白质折叠

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蛋白质折叠 G-四联体 能量景观 分子伴侣 核苷酸

G-四链体催化蛋白质折叠的研究报告

学术背景

蛋白质折叠是生物体内一个复杂且尚未完全解决的难题。许多蛋白质在体外（in vitro）的折叠速度非常缓慢，远远超过了生理条件下的可接受时间范围。为了应对这一挑战，ATP（腺苷三磷酸）依赖的分子伴侣（chaperonins）被认为能够加速蛋白质折叠，使其在生理时间内完成。然而，这种能力是否仅限于ATP依赖的伴侣蛋白仍是未解之谜。本研究的核心问题是探索是否存在其他分子能够像ATP依赖的伴侣蛋白一样，催化蛋白质折叠，从而帮助细胞在更短的时间内完成蛋白质折叠。

G-四链体（G-quadruplexes, G4s）是由富含鸟嘌呤（guanine）的核酸序列形成的四链结构，在真核生物中，G-四链体在应激条件下形成，并在应激解除后解离。近年来的研究表明，G-四链体可能在蛋白质稳态（proteostasis）中扮演重要角色，但其在蛋白质折叠中的具体机制尚未被阐明。本研究旨在探索G-四链体是否能够催化蛋白质折叠，并揭示其分子机制。

论文来源

本论文由Zijue Huang、Kingshuk Ghosh、Frederick Stull和Scott Horowitz共同完成。作者分别来自美国丹佛大学化学与生物化学系、Knoebel健康老龄化研究所、丹佛大学物理系以及西密歇根大学化学系。论文于2025年2月6日发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上，题为《G-quadruplexes catalyze protein folding by reshaping the energetic landscape》。该研究得到了美国国立卫生研究院（NIH）和美国国家科学基金会（NSF）的资助。

研究流程与结果

1. G-四链体对蛋白质折叠的催化作用

研究的核心问题是探索G-四链体是否能够催化蛋白质折叠。研究团队选择了一种荧光蛋白tagRFP675作为研究对象，通过体外实验研究了其在G-四链体存在和不存在情况下的折叠和去折叠动力学。

  • 蛋白质折叠机制的研究：首先，研究团队在没有G-四链体的情况下，使用荧光光谱技术观察了tagRFP675的折叠过程。实验发现，tagRFP675的折叠过程至少包含一个荧光中间态（i1）和最终的天然态（n）。通过动力学模型拟合，研究团队发现tagRFP675的折叠过程中还存在一个非路径中间态（i2），这表明部分蛋白质在折叠过程中会被“困”在错误的路径上，导致折叠速度变慢。

  • G-四链体的拓扑结构依赖性：为了探索G-四链体的拓扑结构对其催化作用的影响，研究团队分别测试了平行（parallel）、反平行（antiparallel）以及3+1混合（3+1 hybrid）结构的G-四链体对tagRFP675折叠的影响。实验结果表明，平行结构的G-四链体（seq576）对蛋白质折叠的促进作用最强，而反平行结构则没有显著效果。

2. G-四链体催化蛋白质折叠的机制

  • G-四链体与蛋白质的结合：在G-四链体存在的情况下，研究团队通过动力学模型拟合发现，蛋白质在折叠过程中会与G-四链体形成复合物（ug4、i1g4、ng4）。这种“折叠时结合”的模式显著加速了蛋白质的折叠过程，并有效减少了非路径中间态（i2）的形成。

  • G-四链体的热力学影响：通过在不同温度下进行实验，研究团队使用Eyring方程计算了蛋白质折叠过程中的热力学参数，包括焓变（ΔH）、熵变（ΔS）和自由能变（ΔG）。实验发现，G-四链体通过改变蛋白质折叠路径的热力学驱动因素，加速了折叠过程。特别是，G-四链体显著降低了折叠过程中的熵垒（entropy barrier），从而促进了蛋白质从中间态向天然态的转变。

研究结论

本研究首次揭示了G-四链体作为一种非ATP依赖的分子，能够催化蛋白质折叠。研究结果表明，G-四链体通过改变蛋白质折叠路径的热力学驱动因素，加速了蛋白质的折叠速度，并有效减少了非路径中间态的形成。这一发现表明，细胞内蛋白质折叠的加速不仅仅依赖于ATP依赖的伴侣蛋白，G-四链体等其他分子也可能在这一过程中发挥重要作用。

研究亮点

  1. 新机制的发现：本研究首次证明G-四链体能够催化蛋白质折叠，打破了以往认为只有ATP依赖的伴侣蛋白才具有折叠加速功能的观点。
  2. 拓扑结构依赖性：研究发现G-四链体的拓扑结构对其催化作用有显著影响，平行结构的G-四链体表现出最强的催化效果。
  3. 热力学驱动的蛋白质折叠：研究通过热力学分析揭示了G-四链体如何通过改变蛋白质折叠路径的焓变和熵变，加速蛋白质的折叠过程。

应用价值与未来展望

这一研究为理解细胞内蛋白质折叠的复杂机制提供了新的视角，并可能为蛋白质折叠相关疾病的治疗提供新的思路。例如，一些神经退行性疾病（如阿尔茨海默病）与蛋白质错误折叠密切相关，G-四链体可能成为未来治疗这些疾病的新靶点。此外，研究还表明，细胞内的核酸分子可能在全球范围内调控蛋白质折叠时间，这为进一步研究细胞内蛋白质折叠的调控网络提供了重要的理论基础。

本研究的发现不仅拓展了我们对蛋白质折叠机制的理解，还为未来开发新的蛋白质折叠调控工具提供了可能性。