研究人員預測和設計揭示無序蛋白結構域的靶標識別機制

　　中國科大劉海燕教授、陳泉教授課題組與復旦大學王文寧教授合作，采用蛋白質結構預測、序列設計等計算手段與蛋白質互補分析和深度突變掃描、X射線晶體學、NMR等實驗結合的方法，揭示了固有無序的4.1G蛋白C端結構域識別其固有無序靶標的結構機制。相關研究成果以“Combined prediction and design reveal the target recognition mechanism of an intrinsically disordered protein interaction domain”為題，發表在《美國科學院院刊》（PNAS）上。

　　固有無序蛋白（Intrinsically Disordered Protein，IDP）之間的相互作用具有高度動態性。如何闡明其底層的三維結構機制對目前的研究方法是一種挑戰。4.1G蛋白作為細胞膜骨架適配器，其保守但被認為是固有無序的C端結構域可以靶向識別其他蛋白中的特定無序區域，在細胞骨架維護、蛋白定位、信號傳導、細胞黏附和遷移等過程中發揮重要作用。之前研究發現4.1G蛋白C端結構域與NuMA蛋白C端區域之間存在相互作用，但缺乏明確的結構機制，難以確定該C端結構域所識別的氨基酸序列特性。

　　在該研究成果中，作者先用基于二氫葉酸還原酶的蛋白質互補分析體系來高效檢測無序片段間的相互作用，系統研究了位點突變和截短對互作的影響，發現實驗結果與AlphaFold2預測的α/β型復合物結構模型吻合；作者進一步用蛋白質序列設計深度學習模型ABACUS-R基于結構設計了多個突變體，成功獲得一個突變體的晶體并解析了其結構。晶體結構與預測模型高度一致，證明兩段無序區發生協同折疊，形成包含三段反平行β的折疊片層與一段α螺旋堆積的有序核心結構，其中β折疊片層由來自4.1G的兩段無序區包夾來自NuMA的無序靶標片段共折疊形成；進一步分析表明，4.1GC端結構域與其他靶標蛋白的結合采用了類似結構機制（圖1）。

　　該研究揭示固有無序蛋白結構域可以用與靶標協同折疊形成α/β型結構的機制來識別多樣但具有特定序列特征的無序靶標。該工作采用的計算-實驗結合研究策略為解析其它固有無序蛋白互作機制提供了新思路。中國科學技術大學生醫部胡秀紅博士為本文的第一作者。中國科大生醫部劉海燕教授、陳泉教授、復旦大學王文寧教授為本文的共同通訊作者。該研究得到了科技部國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金項目和中科院青年團隊計劃項目的支持。