2023年3月10日，中国医学科学院基础医学研究所王晨轩团队在Nano Letters《纳米快报》发表了题为“β‑Sheet Assembly Translates Conservative Single-Site Mutation into a Perturbation in Macroscopic Structure”（微观尺度保守单点突变诱导宏观尺度β片层高级组装结构扰动）的论文。研究报道了氨基酸单点突变对于调控肽链组装结构的重要作用。

蛋白质和超分子复合物机器结构的从头设计与理论预测是多个研究领域关注的热点，但相关的基础理论研究仍存在一些难点。其中一个待解决的难题是由于对驱动肽链形成组装体的分子间相互作用认识不足，对蛋白质四级结构的理论预测仍然存在挑战性。现阶段的研究进展表明蛋白质的三级结构对氨基酸序列的变化具有一定“耐受性”。通过序列比对，利用已解析的同源或相似蛋白质的结构可以预测目标蛋白质的三级结构。然而蛋白质的四级结构对氨基酸序列变化的“耐受性”却很低，序列相近、高度同源的蛋白质在四级结构上可能存在显著性差异，揭示单位点氨基酸侧链微小的结构扰动与蛋白质四级结构的全局结构变化之间的关联规律是实现蛋白质高级组装结构人工设计的重要实验基础。

为解析氨基酸单点突变对肽链高级组装结构的调控规律，本研究团队利用具有超高空间分辨能力的扫描隧道显微术（STM）对肽链形成的β片层组装结构进行单分子成像，揭示单位点氨基酸突变对肽链折叠形成的β股和β转角结构的长程调控机制。本研究团队发现，肽链通过β股之间的氢键网络协同性组装形成β片层，放大点突变产生的结构差异性。β片层之间通过疏水作用与范德华作用堆叠形成交叉-β纤维，将单位点突变产生的结构差异传递到介观尺度。点突变调控交叉-β纤维之间的界面作用，改变纤维向列型排列趋势，诱导肽链在宏观尺度的凝聚态结构发生相转变。实验结果表明通过单位点突变可实现肽链凝聚态在无序液态/固态聚集体/液晶态液滴三相之间的可控转变。本研究揭示了氨基酸单点突变对于调控β片层组装结构的重要作用，在单分子尺度到宏观尺度的蛋白质折叠组装途径上展示了突变造成的蛋白质组装结构变化。这一发现强调了保守性残基取代可能导致蛋白质高级结构的全局变化，也强调了决定蛋白质高级结构的分子间相互作用网络的非加成性，为后续对多肽组装体结构的从头设计与预测提供了重要的科学依据。

本研究工作得到中国医学科学院医学与健康科技创新工程（2022-I2M-JB-003, 2021-I2M-1-022）、细胞生态海河实验室创新基金（HH22KYZX0011）等项目的资助。基础医学研究所王晨轩副研究员为论文通讯作者，基础医学研究所张文博助理研究员、研究生刘明巍、王洋为论文的共同第一作者。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c00311

中国医学科学院基础医学研究所