Biomac专栏 |酰胺-π相互作用控制胶原蛋白三螺旋自组装

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今天为大家分享一篇最近发表在Biomacromolecules上的文章, 题目是Charge-Free, Stabilizing Amide−π Interactions Can Be Used to Control Collagen Triple-Helix Self-Assembly。这篇文章的通讯作者是美国莱斯大学化学系和生物工程系的Jeffrey D. Hartgerink教授。

天然胶原蛋白由于其独特的三重螺旋结构受到了人们广泛的关注。然而,天然胶原蛋白的肽链较长、交联程度高等因素导致其不易溶解加工。因此,胶原模拟肽(CMPs)长期以来被用作研究天然胶原蛋白序列的替代物。但是,由于控制三重螺旋折叠排列的可预测相互作用选择较少,CMPs的生物和材料应用都受到了限制。

胶原蛋白为三联体重复序列(Xaa-Yaa-Gly),其中Xaa通常为脯氨酸(Pro),Yaa通常为羟脯氨酸(Hyp)。这使得其倾向于形成PPII的二级结构,三股PPII左手螺旋再相互缠绕形成胶原蛋白三重螺旋(图1)。三股肽链相互交错,并使甘氨酸残基位于螺旋中心,促进肽链的堆积。不同于其他的蛋白质,胶原蛋白中的相互作用几乎都是分子间的,并且氨基酸残基之间的相互作用取决于不同肽链上三联体的相对位置。如图2所示,在Yaa位置的正电荷氨基酸会优先与在相邻链随后的Xaa位置的负电荷氨基酸或芳香族氨基酸形成较强的相互作用(轴向相互作用,axial interaction),而Yaa位置的负电荷氨基酸可以与相邻链上相同位置的Xaa正电荷氨基酸形成较弱的相互作用(侧向相互作用,lateral interaction)。

除了正负电荷相互作用和阳离子-π相互作用外,酰胺-π相互作用在结构生物学中也扮演着重要角色。在此前工作中,作者发展了一种用于预测同源或异源CMPs形成的三螺旋结构热稳定性的算法(SCEPTTr)。在本文中,作者研究了谷氨酰胺与苯丙氨酸之间(Q-F)、以及天冬酰胺和苯丙氨酸之间(N-F)在三螺旋中的轴线和侧向相互作用,并优化了SCEPTTr算法。

1.  胶原蛋白三螺旋(黑色为leading strand;深灰色为middle strand;灰色为trailing strand),分子间氢键用黄色虚线标出。Gln-Phe发生轴向相互作用时的可能构象,其中N原子到苯环中心的距离为3.9 Å

2. 含有YGXOOGXY序列的肽段组成的同源三螺旋中轴向(axial)和侧向(lateral)相互作用的示意图

首先,作者合成了如表1所示的肽链,用于形成胶原蛋白同源三螺旋。作者使用圆二色谱(CD)测量了这些同源三螺旋的解链温度。根据图2所展示的作用方式,作者分别计算了Q-FN-FA-F对三螺旋热稳定性的轴向和侧向贡献,以此来评估Q-FN-F在胶原蛋白三螺旋中的相互作用。

结果表明,Q-F的轴向相互作用可以提高三螺旋解链温度约2.13 °C,但Q-F的侧向相互作用会极大地破坏三螺旋的稳定性;而N-F的轴向与侧向相互作用对三螺旋热稳定性影响并不显著。并且作者发现Q-F侧向相互作用对三螺旋热稳定性的影响与A-F侧向相互作用产生的影响相似,因此作者认为Q-F侧向相互作用降低三螺旋稳定性的原因是主干结构的变化。

1. 用于形成同源三螺旋的多肽(Tm为实验解链温度,灰色高亮区域是肽链发生改变的区域)

接着,利用Q-F轴向的稳定化作用,作者设计了一组异源三肽用于形成异源三螺旋(表2)。肽D被设计成与肽AB形成异源三螺旋,并且作者预期肽D会与肽A形成4Q-F的轴向相互作用(表2中灰色高亮部分)。如预期所示,ABD的混合肽可以得到一个最稳定的三螺旋,其解链温度为33.5 °C,而次稳定的三螺旋是由AB二肽形成的。为了表征ABD异源肽形成的三螺旋,作者进行了一系列1H15N HSQC实验,以及3-D 1H1H,和15N NOESY HSQC实验,证明了ABD中不同链上氨基酸的相互作用。

2. 用于形成异源三螺旋三聚体的肽以及ABD预期的对齐方式

不仅如此,作者将苯丙氨酸替换成酪氨酸也得到了类似的结果,说明酰胺-π相互作用也可以在酪氨酸的苯环上实现。最后,作者还使用了分子动力学(MD)模拟的方式来研究胶原蛋白的侧链相互作用,并成功得到了与实验一致的结果。根据以上这些结果,作者优化了SCEPTTr算法,将其更新为SCEPTTr1.1,改善了其预测性能。

总的来说,在本文中,作者发现轴向谷氨酰胺-苯丙氨酸(Q-F)的相互作用可以提高胶原蛋白三螺旋的热稳定性。作者在实验中证明了三螺旋中酰胺-π的相互作用,并根据该结果设计了一组异源多肽形成的三螺旋。值得注意的是,Q-F酰胺-π相互作用是胶原蛋白首个无电荷成对氨基酸相互作用的例子。相比于带电荷的氨基酸形成的三螺旋结构,无电荷的胶原蛋白不容易受到pH值和盐浓度的影响;此外,富电荷多肽可能具有较高毒性,从而干扰细胞研究。酰胺-π相互作用可以扩大在胶原蛋白研究中可用的互补相互作用,以更好地控制胶原蛋白二级和三级结构,并更容易地应用到富电荷肽可能不利的场景中。


作者ZHS    审校WS

DOI: 10.1021/acs.biomac.1c00234

Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.1c00234


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