蛋白质组学

盘绕螺旋结构的设计和优化技巧

1. 介绍

盘绕螺旋是常见的结构,据估计在大多数基因组中占到编码残基的 3%~5% [1] 。它由 25 个 α 螺旋组成,通常以左旋这种特殊方式相互缠绕,形成一个超螺旋。一般规则的 α 螺旋形成一圈螺旋需要 3.6 个残基,而左旋盘绕螺旋则只需 3.5。这意味着每两圈螺旋含有七氨基酸的重复 [2,3] 。最常见的盘绕螺旋类型是平行(即两个螺旋并排地从 N 端盘绕到 C 端)二聚和左旋的。在这一类型中,每个螺旋的周期都是 7。在蛋白质内的任何位置都可能有 2 ( 在设计的盘绕螺旋中;参考文献 [ 4 ] )~200 个这样的重复 [ 5 ]。在这个重复中,一个螺旋的残基标记为(a - b- c - d - e - f- g ) n,另一个则标记为(a'-b'- c'- d'- e'-f '- g')。 ( 图 3.1)。在这个模型中,a 和 b 通常是位于两个螺旋的交接处的非极性的核心残基,相反,e 和 g 是部分地溶液暴露的极性 “边缘” 残基,通过静电相互作用,它们使得两个螺旋的相互作用有特异性。最后,剩下的 3 个残基(b、c 和 f ) 是典型的亲水残基并暴露于溶液中。盘绕螺旋结构连同它的七元周期性在表观上的简单性,使它得到了大量研究。引人注目的是,两个螺旋间的相互作用仍然是高度特异性的过程。正是结构周期表面的简单性与高特异性和强亲和力相结合,使这个普遍存在的蛋白质结构类型这样地引人注目。

在天然的和设计的含 2 个 或 3 个螺旋的标准盘绕螺旋中,界面边缘的互补电荷可缓解不同螺旋间的排斥这就是以促进杂寡聚的形成。我们把这称为肽拉链(PV ) 假定 [8] 。这是在参考了 Kim 及其合作者设计的、他们称之为 “ Peptide  Velcro” 的、专性杂二聚盘绕螺旋 [9] 之后提出的(Velcro 是尼龙的商品名,由两个法文单词 “ velour” —— 钩和 “crochet”——圈连成;是由钩和圈组成的带子,轻压可以将两条带子连在一起,撕拉又可以将它们分开——译者注)。除 e 和 g 位外,这两条多肽是相同的。在 e 和 g 位,一条链是 Lys,而另一条是 Glu ( 见注 2 )。像其他类似的多肽对一样,这一对多肽在试管中形成稳定的杂二聚体。最近的一项研究通过直接将理性设计和基因选择技术的结果进行比较,检验了 PV 假定 [8]。与 PV 假定相反(但与许多天然盘绕螺旋的序列性质相符),选择出的多肽对,既没有极大化相互吸引的 g/e' 电荷对,也没有消除相互排斥的 g/e' 电荷对(见 3.2.2.3)。许多因素可以影响 g/e' 带电残基的贡献。整体静电势——包括分子间的和分子内的相互作用,起主要的作用。与核心残基的相互作用,如有利的堆积或立体的冲撞,都被用来模拟 g/e' 相互作用。序列范围内的其他效应,来自于局部的螺旋柔性或来自于与 b、c 或 f 残基的相互作用,都有可能发生。对盘绕螺旋结构的检查提示,e 和 g 位在结构上有区别,这些区别可能会以不同的方式容纳不同的电荷对。

在这里,我们对每个氨基酸在维持 α 螺旋结构合促进形成符合期望的寡聚态和左旋取向的盘绕螺旋结构中所起的重要作用做一个概述。本章的目的是强调在设计或优化这类盘绕螺旋时需要考虑的重点。这一章因而应该看作是一个“指南”,为便于盘绕螺旋的设计,解释得到期望的寡聚态(见 3.2.1)、特异性(见 3.2.2) 、螺旋取向( 见 3.2.3 ) 和稳定性(见 3.2.4 ) 所需要的最重要的操作。我们讨论在 a 和 b 疏水核心位以 及 e 和 g 静电边缘位的氨基酸残基共同的影响,以及这些残基与 b 位、c 位和 f 位残基 一起在保持 α 螺旋倾向、螺旋可溶性和二聚体整体稳定性上的作用。另外,也要讨论 N 端加帽和 C 端加帽的可能性。除非在正文中特殊地声明,我们都以二聚平行盘绕螺旋模体为参考态。我们还讨论了最近一篇述评中所述的盘绕螺旋在一般意义上的稳定性和特异性 [10] 。

对螺旋结合规律的理解使得对这些螺旋的新探索成为可能 [11] 。例如,通过将抗体 Fv 片段与螺旋融合产生被螺旋稳定的抗体;或将抗体 scFv 片段与螺旋融合以产生微小抗体(miniantibody) [13];或作为热感应器(如连接了绿色突光蛋白的 TlpA,用突光变化作为读出信号监测 TlpA 的结构随着温度变化)。这使得由盘绕螺旋二聚体形成参与的信号传导过程的测定成为可能 [ 14 ]。

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