蛋白质是生命活动的基础，只有经过正确折叠的蛋白质才能实现其生物功能，否则会导致蛋白质功能异常，甚至引发细胞内蛋白质的寡聚和沉淀，从而导致多种严重的人类疾病。分子伴侣（Molecular Chaperone）是协助蛋白质正确折叠的关键因子，对于维持细胞内蛋白质稳态至关重要，因此成为了国际研究的热点。然而，分子伴侣与底物的相互作用通常具有高度动态、瞬时和非特异性的特征，使得相关研究面临极大挑战。
热休克蛋白90（Hsp90）被认为是功能最为重要、机制最为复杂的分子伴侣，广泛参与数百种蛋白质的折叠、活化或重组，几乎涵盖了所有基本的生物信号通路传导，因此被称为细胞内的“信号枢纽”。作为抗癌研究中的重要分子靶点，Hsp90的研究一直是国际科学界的热点。然而，由于Hsp90本身的动态特性以及它与底物蛋白的动态相互作用模式，相关复合体的结构信息一直非常匮乏，阻碍了我们对其功能机制的深入了解。
2024年6月18日，中国科学技术大学生命科学与医学部黄成栋教授团队在Nature Structural & Molecular Biology期刊发表了文章Structural basis for the dynamic chaperoning of disordered clients by Hsp90。该研究通过液体核磁共振技术，首次解析了开放构象的Hsp90与固有无序蛋白底物的复合体结构。这一发现展示了Hsp90与其底物的独特的“二分式（bipartite）”结合模式，并揭示了其动态功能机制。这是全球第四个关于分子伴侣与固有无序蛋白高分辨复合体结构的报道，也是目前通过核磁共振技术解析的最大（约165 kDa）蛋白高分辨复合体结构。
图1.Hsp90与固有无序蛋白的复合体结构及其动态相互作用机制(Credit: Nature Structural & Molecular Biology)
本研究首先对Hsp90与两种固有无序蛋白底物的动态相互作用进行了详细研究，描绘了相互作用界面并对其进行了定量表征。研究发现，Hsp90通过其V字形展开的双臂同时捕捉底物蛋白的两个疏水片段，形成了独特的“二分式”结合模式，即每个Hsp90单体分子捕获底物的一个疏水结合区域。这种结合方式表现出显著的协同效应：“1+1 ≫ 2”，显著延长了底物在Hsp90表面的停留时间。进一步研究表明，这种结合模式在不同物种的Hsp90中高度保守。同时，核磁共振的动态分析显示，底物蛋白在Hsp90结合界面上仍保持高度动态特性：每次被Hsp90捕捉后，底物并没有被牢固束缚，而是在Hsp90表面进行多达10万次的构象调整，直至最终以活化构象被释放（图1）。在这一过程中，底物蛋白始终保持无结构的松散状态，这解释了为何Hsp90的多种序列不同、结构迥异的底物都表现出显著的热力学不稳定性。
图2. Hsp90的工作机制：一个由ATP赋能的“微型动态纳米机械夹钳”(Credit: Nature Structural & Molecular Biology)
基于此，论文提出了Hsp90的工作机制，认为其犹如一个由ATP驱动的微型动态纳米机械夹钳，将ATP的化学能转化为机械动能，为底物蛋白的折叠和活化提供必要的动态环境（图2）。该研究加深了对Hsp90动态分子机制的理解，为以Hsp90作为抗癌药物靶点的设计提供了新的思路。
参考文献
https://www.nature.com/articles/s41594-024-01337-z
