标题化学交联质谱法研究蛋白质动态新途径

近日，我所董梦秋实验室与武汉物理与数学研究所唐淳实验室合作者成功探索了利用化学交联质谱（chemical cross-linking of proteins coupled with mass spectrometry, or CXMS）和结构计算来研究蛋白质动态的新途径，并发布了通用流程。

到目前为止，结构生物学研究主要关注蛋白质的基态结构，但是蛋白质行使功能往往需要在基态和激发态之间转变构象。解析蛋白质的激发态构象和动态结构对于X射线晶体学和电镜等传统结构生物学方法是一大难题。核磁共振（NMR）虽然适合研究蛋白质在溶液中的多种构象，但是仅限于 50 kDa 以下的蛋白，而且需要大量的高度纯化的蛋白。

董梦秋实验室一直从事化学交联质谱技术 CXMS 的开发和应用（Yang B, Nature Methods 2012; Lu S, Nature Methods 2015; Tan D, eLife 2016）。蛋白样品中两个氨基酸之间发生交联反应，必须满足交联剂的化学特异性要求（如氨基特异性）以及空间距离小于或等于交联剂臂长的要求。因此，由 CXMS 获得的交联位点对提供了可用于结构计算的距离约束信息。作为结构生物学的新工具，特别是单分子电镜技术的辅助工具，CXMS 在很多大型蛋白质复合体的结构解析中做出了贡献。但是，这个技术还存在一些问题，其中最令人困扰的是：即便用最严苛的筛选标准，总有小部分交联位点对在晶体结构（一般是基态构象）中的距离大于交联剂臂长（"over-length" chemical cross-links）。对于此类数据，大部分实验室选择丢弃或者放松距离约束（如果结构未知）。本文两个实验室一年前合作发现，分子间的高可信度过长交联反映了蛋白 - 蛋白间的弱（或瞬时）相互作用（Gong Z, Biophysics Reports 2015）。本文重点研究了蛋白内不同结构域之间的相对运动。实验结果表明，分子内的高可信度过长交联来源于蛋白质的激发态构象；它们不是制造麻烦的问题数据，而是 “众里寻他千百度” 的反映蛋白质动态的珍贵信息。

作者通过交联数据和结构计算发现，结合了钙离子但没有结合配体肽段或蛋白的钙调蛋白（Ca²⁺-CaM） 除了采取哑铃状的开放态构象（基态），还有一种闭合态构象，非常接近之前用 NMR 手段观察到的激发态构象。这种闭合态构象与结合了各种配体的 Ca²⁺-CaM 的晶体结构或 NMR 结构也非常相似，说明配体肽段或蛋白的结合稳定了原已存在的 Ca²⁺-CaM 的闭合态构象。本文还用同样方法研究了细菌磷酸转移系统中的蛋白 EIN 和谷氨酰胺结合蛋白 QBP，发现它们均含有基态构象之外的一种激发态构象。

本文建立了一套基于交联数据的结构模拟计算方法，内容包括：用 15N 同位素标记的蛋白与相对应的天然同位素标记的蛋白等量混合后进行交联质谱分析，从中得到高可信度的分子内交联数据，然后采用专门开发的 DynaXL 软件进行构象模拟计算。DynaXL 包含结构域识别、模拟交联反应、分子动力学模拟等多个模块。它首先尝试用基态构象模拟交联反应，如果不能满足全部交联约束，则添加一个构象，直到所有交联约束都得以满足。同类其它算法只考虑单一构象，试图让单个构象满足所有交联数据；当蛋白质在溶液中存在多种构象时，容易造成过拟合，得到错误结构。

已发表的 NMR 研究表明，Ca²⁺-CaM 的激发态构象在溶液中所占的比例小于 5%；EIN 和 QBP 的激发态构象很可能由于丰度过低未能被 NMR 检测到。这说明 CXMS-DynaXL 方法可以灵敏地检测到溶液中的低丰度构象，灵敏度达到甚至超过 NMR，且不受蛋白大小限制，可以广泛应用于蛋白质动态变化研究。