中國農業大學趙廣華教授Nano Lett.:由淀粉樣蛋白基序提供的疏水作用驅動的二維和三維蛋白質納米網絡

【引言】

蛋白質具有自我組裝的能力，在進化過程中賦予自身多樣的功能。蛋白質的周期性組裝可以形成一維（1D）微管，二維（2D）細菌表面層和三維（3D）病毒衣殼。由于其復雜的拓撲結構和廣泛的功能，蛋白質可成為制備可控自組裝材料的構建單元。與DNA和肽作為構建單元相比，由于蛋白質表面及其作用力的不均一性，造成蛋白質自組裝設計的困難。目前，采用了幾種策略來實現蛋白質自組裝，包括基于對稱融合的自組裝，利用金屬配位，引入DNA或肽的交聯寡聚體，基因融合方法和蛋白質計算機輔助設計。眾所周知，非共價相互作用如氫鍵，靜電相互作用和疏水相互作用是天然蛋白質結構形成的主要原因。但迄今為止，通過非共價相互作用，特別是疏水相互作用構建人工分層蛋白質納米結構，與通過共價鍵（二硫鍵和金屬配位鍵）相比，成功率較低，仍有待探索。

為了建立一種由疏水相互作用驅動的蛋白質自組裝的有效方法，大自然提供了許多蛋白質自組裝的例子。例如集中在星形膠質細胞末端水通道蛋白-4的方陣排布，以及肌肉和心臟組織中的間隙結斑塊。除了在上述正常條件下發生的自組裝外，蛋白質組裝還出現在疾病中，例如鐮狀細胞性貧血中的血紅蛋白變體的纖維束和阿爾茨海默病中的β淀粉樣蛋白42（Aβ₄₂）沉積和tau蛋白纖維纏結。這些纖維纏結的形成形成通常由淀粉樣蛋白基序（AM）驅動，例如由II型糖尿病中的“NFGAIL”基序誘導的胰島淀粉樣蛋白多肽纖維纏結，阿爾茨海默病中的“KLVFFAE”和“GLMVG”基序誘導的Aβ沉積，慢性炎癥淀粉樣變性病中“SFFSFLGEAFD”基序誘導的血清淀粉樣蛋白的形成，以及甲狀腺癌中“DFNKF”基序誘導的降鈣素纖維纏結。 AM已被用于構建肽或蛋白質的纖維狀自組裝，納米線的制造和其他類型的分子工程。然而，迄今為止，尚未探索使用AM構建蛋白質高度有序的2D至3D自組裝。

【成果簡介】

近日，中國農業大學趙廣華教授課題組通過利用“GLMVG”基序貢獻的疏水力，我們建立了一種有效的蛋白質自組裝策略來構建二維（2D）或三維（3D）蛋白質納米籠陣列。鐵蛋白具有高度的對稱結構，它有6個二重對稱軸，4個三重對稱軸和3個四重對稱軸，將Aβ₄₂中的“GLMVG”基序嫁接到靠近鐵蛋白四重軸(C₄) 通道的外表面上，鐵蛋白（HF-GMG）首先自組裝形成有序的2D排列，這些二維組裝再相互作用，逐步疊加最終產生高度有序的3D排列。重要的是，這些蛋白質組裝體的可逆性和形成速率可以通過pH調節。這項工作為精確控制2D或3D蛋白質自自組裝提供了從頭設計的策略。該成果以題為“Designed Two- and Three-Dimensional Protein Nanocage Networks Driven by Hydrophobic Interactions Contributed by Amyloidogenic Motifs”發表在Nano Lett.上。

【圖文導讀】

Figure 1. 構建淀粉樣蛋白基序介導的HF-GMG自組裝示意圖

(a).鐵蛋白四重軸通道結構示意圖

(b).HF-GMG可逆自組裝的示意圖，其中來自Aβ42的“₃₃GLMVG₃₇”基序被嫁接到靠近鐵蛋白四重軸通道的外表面上

Figure 2.HF-GMG 2D陣列的表征

(a).蛋白質納米籠2D陣列的TEM視圖

(b,c).2D陣列的高倍放大TEM視圖

(d).快速傅里葉變換（FFT）圖像

(e). FFT轉換圖像

(f).基于圖e的結構重建圖

Figure 3.通過原子力顯微鏡（AFM）表征2D陣列

Figure 4.HF-GMG 3D的和形成過程

【小結】

在這項工作中，受Aβ₄₂聚集的啟發，作者利用疏水相互作用作為驅動力與蛋白質對稱性相結合來構建蛋白質納米籠陣列，提供了調控蛋白質自組裝的有效、簡便方案。根據這個策略，可以通過“自下而上”的策略以可預測的方式生成高度有序的2D和3D蛋白質納米籠陣列。更重要的是，通過改變溶液pH或反應時間，可以容易地調節這種高度有序的2D和3D鐵蛋白納米籠陣列的形成以及這兩種不同陣列之間的轉換。除了來自Aβ₄₂的“GLMVG”基序之外，正常或疾病發生條件下的其他AM也可以嫁接到蛋白質的外表面上。因此，這種蛋白質工程策略原則上可以應用于具有高對稱性的其他蛋白質，例如Dps，病毒衣殼和其他人工蛋白質納米籠或納米環，從而產生各種具有不同特性的高度有序的自組裝。

Designed Two- and Three-Dimensional Protein Nanocage Networks Driven by Hydrophobic Interactions Contributed by Amyloidogenic Motifs

(Nano Lett., 2019, DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b01365)

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趙廣華，中國農業大學食品科學與營養工程學院，教授，博士生導師。目前研究團隊主要從事蛋白質納米載體的設計，以及蛋白質自組裝機制及智能生物納米材料制備方面的研究，主要研究對象為鐵儲藏蛋白(ferritin)。在Nature Communications, Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., ACS Nano等發表 SCI 約150 篇。主持國家自然科學基金重點項目、面上項目及科技部863項目7項，獲授權國家發明專利 8 項。?