对从头设计蛋白可折叠性的高效实验评估和改进

来源 :中国科学技术大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:shuanghu1000
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蛋白质设计目前面临的最为棘手的一个问题就是怎样高效地挑选出折叠性质好的蛋白序列。对大量的设计蛋白序列都进行彻底的结构研究,既不现实也不值得。在这里,我们建立了一个可以有效地评估并且改进设计蛋白折叠性质的实验方法。该方法中,目的蛋白的结构稳定性与细菌的抗生素抗性呈正相关,在目的蛋白两端连上连接序列后,插入到TEM1-β-内酰胺酶中间,形成一个三明治样结构。折叠性质差的目的蛋白在周质腔中会被蛋白酶特异性地识别为非折叠蛋白进而被水解,表现为宿主细胞的低抗生素抗性。利用该系统不仅可以帮助我们评估设计蛋白的折叠性质,还可以在定向进化后筛选出能够弥补设计缺陷的突变体。  我们以硫氧还蛋白的主链结构(PDB ID为1r26)作为设计模板,该蛋白具有113个氨基酸,形成了四个α-螺旋围绕着五个β-折叠的三维结构。在初次设计时,设计蛋白Dv_1r26在TEM1-β-内酰胺酶胞内系统显示出了很低的抗生素抗性,暗示着该设计蛋白的折叠性质差,与核磁一维氢谱实验结果一致。基于TEM1-β-内酰胺酶胞内系统对Dv_1r26进行了三轮定向进化,我们获得了一系列表现为高抗性的突变体,其中V31D,V61D和W105R这三个点突变在这些突变体中被频繁地观测到,我们选择突变体Dv_1r26_M1做为进一步的实验对象,该突变体仅含有四个点突变,包含被频繁观测到的三个位点突变和L23P。Dv_1r26_M1的一维氢谱和HSQC谱都具有很好的分散度,暗示着它的折叠性质良好。对Dv_1r26_M1进一步进行彻底的核磁结构实验分析可以看到:该蛋白的β-折叠片折叠性质良好,而且折叠片间的走向与设计结构一致,但是N端的α螺旋没有形成,C端的螺旋部分部分折叠。  基于对初始设计序列可能存在的问题的分析,我们对设计方法进行了一些微小但十分重要的调整,使用修正后的设计模型设计出了新的蛋白序列,命名为E_1r26,它无需经过定向进化就在TEM1-β-内酰胺酶胞内系统中显示出了很高的抗生素抗性,随即对其进行了核磁结构解析。结果显示:计算出的E_1r26NMR模型与设计模板1r26高度一致,其中能量最低的模型与设计模板的主链重原子RMSD仅为1.7埃。  此外,我们还测试了荧光蛋白Insertion Reporter系统对于蛋白质折叠性质的灵敏性。在对三个不同折叠性质的蛋白进行评估时,并没有看到明显的区别,无法做到对蛋白折叠性的有效评估。
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