2023年7月5日，中国医学科学院基础医学研究所王晨轩团队在ACS Central Science《ACS核心科学》发表了题为“Experimental Insights into Conformational Ensembles of Assembled β-Sheet Peptides ”(β-折叠组装肽的构象系综研究)的论文，该研究在单分子水平揭示了β-折叠多肽组装结构中的构象系综。

蛋白质分子整体或局部一定时间尺度内表现出多重构象的动态互变。宏观条件下，蛋白质的性质由处于各种运动状态的、各自独立的构象的集合共同决定，这种动态构象的集合被称为构象系综。系统性地解析蛋白构象系综，阐明各亚稳态与稳态在结构、分布概率、相对能量关系随时间的演化规律，是揭示蛋白聚集趋势的物质与能量基础。由于蛋白质的动态结构包含了多重热力学微观状态，使用经典的结构生物学研究手段进行结构测定不可避免地涉及到多态性结构平均化，丢失微观状态的结构信息和特征。因此必须发展亚分子水平的超高分辨率显微成像方法用以解析蛋白质的构象系综。

本团队发展了基于扫描隧道显微术（STM）用于蛋白质构象系综解析的亚分子水平成像与数据处理方法（自主知识产权）。基于STM技术的单分子成像技术利用电子隧穿效应，获得分子的局域电子态密度差异和分子形貌。该技术不依赖于统计大量分子获得平均化信息，而是对单个分子的局域结构进行分析。该方法空间分辨率优于0.3 nm，能够同时分辨10种以上共存的蛋白质微观状态。可在1分钟内对约500个蛋白质分子进行结构测定。本团队使用该方法揭示了人胰岛淀粉样蛋白关键8-37片段（hIAPP8-37）纤维状聚集体内部的单体结构存在差异性，是由18种不同亚稳态构成的构象系综。统计该18种亚稳态的分布概率与相对作用模式，进一步建立了构象系综的能量景观图。当蛋白质发生异常的氨基酸位点突变或者翻译后修饰，也将伴随着构象系综各热力学微观状态的重新分配。相较之下，其病理性突变体hIAPP S20G 8-37组装结构中包含了19种亚稳态构成，存在95种多肽-多肽相互作用模式。应用Fisher-Yates洗牌算法获得构象亚稳态的随机排列，对比实验测量的累积概率和洗牌算法产生的随机概率，发现焓在驱动具有相似β链长度的亚稳态之间相互作用的重要贡献。病理性S20G突变增强了具有相似β链长度的亚稳态之间的相互作用，阐明了hIAPP S20G的高聚集趋势的分子机制。该工作为β-折叠多肽组装中的构象系综和多肽间相互作用模式提供了单分子实验视角，将有利于深入剖析氨基酸突变和翻译后修饰等各因素对蛋白质错误折叠相关疾病（包括朊病毒病、帕金森病、淀粉样变性等）病理机制影响的分子机制。

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（2021-I2M-1-022和2022-I2M-JB-003）、国家自然科学基金(31901007, 32201243, 32201142)、北京市自然科学基金（2222039）、细胞生态海河实验室“揭榜挂帅”项目（HH22KYZX0011）、医学分子生物学国家重点实验室自主研究课题（2060204）等项目的资助。基础医学研究所王晨轩研究员、俄亥俄州立大学王晓光教授和基础医学研究所张文博助理研究员为论文共同通讯作者。基础医学研究所于兰兰副研究员和博士生王若楠为论文的共同第一作者。国家纳米科学中心王琛研究员、杨延莲研究员、加州理工学院姚昱星博士、哈佛大学李姝聪博士也为该工作做出了重要贡献。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.3c00230