应用笔记 - 磁共振

NMR揭示了内在固有无序化蛋白的秘密

“我们建议,IDP可以作为酶和蛋白质的冷冻/冻干保护剂广泛使用,包括在生物疗法中。”

“我们建议,IDP可以作为酶和蛋白质的冷冻/冻干保护剂广泛使用,包括在生物疗法中。”

生物信息学技术已被开发应用于根据某种蛋白质的氨基酸结构,预测其是否具有固有无序性,但仍需要有分析方法才能确认没有三级结构存在。NMR是鉴别IDP的最佳方法之一。

近年来,研究发现了一类在生理条件下不具有特定折叠结构的生物蛋白,称为固有无序蛋白(IDP)。科学家们现在正在努力了解什么是IDP,它们有何作用,以及如何利用其特性。

IDP是一类在生物条件下没有三级结构,二级结构也很少的柔性蛋白质。IDP含有大量促进紊乱的氨基酸,如亲水性和带电氨基酸,像是丙氨酸、精氨酸、甘氨酸、谷氨酰胺、丝氨酸、脯氨酸、谷氨酸和赖氨酸。因此,IDP通常具有亲水性和带电性,与结构蛋白相比具有不同的功能特性。

NMR是识别和表征IDP的常用方法,这是因为它可以在生理条件下进行,并提供IDP的残余结构、功能和动力学信息。

IDP的NMR质谱具有各种性能特点。IDP的多肽链在多种构象之间迅速转换,导致 1H NMR质谱的分散性较差,信号在8.0-8.5 ppm区域附近聚集。相比之下,结构蛋白的1H波谱显示出更高的分散性,化学位移介于6.50-10.0 ppm之间。

比较1H波谱中化学位移的分散性,可以很容易地确定蛋白质是否具有无序性。分配共振需要多维NMR,研究人员在研究IDP时通常要获得二维异核单量子相干(HSQC)谱。

IDP是否具有低温保护特性?

一些科学家猜测很多IDP可能具有低温保护特性。一组来自日本的研究人员最近在International Journal of Molecular Science(国际分子科学杂志)上发表了一篇文章,概述了他们试图验证这一假设是否正确的努力。

研究人员利用生物信息学从人类基因组数据库中识别出潜在的IDP。然后,他们随机选择了六个可能的IDP并对其进行表达。他们使用 1H-15N NMR来确认所表达的蛋白质是否无序,然后再研究它们的冷冻保护和冻干特性。

研究小组通过使用布鲁克Avance III 600 MHz NMR质谱仪,获得了潜在IDP的HSCQ谱。他们得到的波谱证实,所预测的6个IDP中有5个显示出特征性的1H化学位移聚集,介于7.6-8.6 ppm之间,表明了它们的无序性。

当研究人员调查5种已确认的IDP的性质时,发现它们都具有低温保护特性,尽管其氨基酸序列并不相关。

与其它冷冻保护剂蛋白质相比,来自人类基因组序列的冷冻保护剂蛋白质具有显著的优势,因为它们不会引起免疫反应,这意味着它们适合于药用。

还有更多的IDP有待确定或进行充分研究。NMR很可能延续其在研究NMR方面发挥的中心作用,以便我们充分利用它们的特性。

参考:

Matsuo N, et al. Discovery of Cryoprotective Activity in Human Genome-Derived Intrinsically Disordered Proteins. International Journal of Molecular Sciences, 2018. DOI: 10.3390/ijms19020401.