2017年8月22日
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王炜教授课题组在蛋白质天然态结构物理特性研究最新成果

物理学院王炜教授课题组在蛋白质分子体系天然态结构涨落的物理特性方面研究取得重要成果,揭示出自然选择的蛋白质具有临界物理特征,可有效实现其结构稳定性和灵活性之间的平衡。他们的论文“Critical fluctuations in the native state of proteins”于2017年2月24日在物理学评论快报在线发表(Phys.Rev.Lett.,118, 088102(2017)),该工作是王炜教授课题组与阿根廷圣马丁大学的D.R.Chialvo教授合作成果,博士生唐乾元同学为论文第一作者,王骏教授、王炜教授和Chialvo教授为共同通讯作者。

蛋白质是生物系统的结构组成和生命过程最基本的生物大分子,其天然态结构是生物体系的组成稳定性和功能执行之基础。1970年代以来,基于诺贝尔奖获得者安芬森的蛋白质折叠可逆性,人们建立了以天然结构稳定性为核心的蛋白理论框架。理解蛋白质分子的序列、结构与功能之间的关系成为分子生物学研究的核心,是物理学与生物学交叉的前沿方向。近年来,人们在蛋白质柔性和功能运动方面积累了越来越多的认识,对蛋白质天然态结构的科学内涵提出新的挑战。如何刻画蛋白质结构稳定性与功能运动的动态关系,揭示相关的普适物理特性?这些基础性研究将极大地提升人们对蛋白质分子体系物理特性的认识及其生物功能的了解。

唐乾元他们从蛋白质功能运动的物理过程出发指出:一方面,蛋白质分子必须具有一定柔性且足够敏感,才能保证其在细胞环境中捕捉和感受各种信号,从而发生构象变化和行使生物功能;另一方面,如果分子柔性过大,在环境扰动影响下,其结构会变得很不稳定,从而影响其功能的实现。围绕这种竞争和平衡,他们运用统计物理,对蛋白质结构数据库中相关的蛋白质分子结构集合进行统计分析,发现蛋白质分子中氨基酸之间的位置涨落存在长程关联,关联长度与分子尺度大小相当,标度后的关联函数展示出普适行为(图1a-d)。结果表明,不管蛋白质分子大小如何,分子中某一氨基酸残基的运动,会被分子内其他氨基酸残基感受到。还发现蛋白质分子在特定形状因子附近的涨落特性具有临界标度行为(图2a),更多的蛋白质分子具有更大的涨落或更大的“可变性”。这些特征与统计物理学中相变的“临界现象”非常相似,蛋白质分子的天然态结构正是在“有序”和“无序”之间达到了其“临界点”。揭示在自然进化和选择过程中,蛋白质分子需要在结构的“稳定性”和“可变性”之间达成某种平衡,这种竞争和平衡在蛋白质结构和功能层面上对应着相关的临界特性,从而展现出蛋白质分子的共有结构特征(图2b)。

图1:(a)蛋白质分子结构涨落(示意图);(b)不同大小蛋白质的相关函数;(c)标度后完全重合,展示蛋白质结构涨落的普适特征;(d)关联长度与蛋白质尺寸大小的关系。

图2:(a)不同大小蛋白质的可变性(或敏感性)和形状因子之间的关系,表现出类似“临界行为”的特征,揭示了蛋白质结构涨落的基本物理特点。(b)自然界的蛋白质分子倾向出现在临界性最强的形状因子附近。

该项工作通过对蛋白质结构数据的统计分析和相关物理特性的刻画研究,在结构生物学实验和理论与统计物理学理论之间架起了桥梁,为人们揭示生物分子进化的原理提供了新思路,对理解蛋白质的折叠、变构和聚集等动力学过程具有重要的理论意义。“临界性”本身为蛋白质设计提供理论基础,可为药物和抗体的设计等问题提供新的启示和参考。该项工作推进了人们对蛋白质分子体系结构和功能的认识。研究项目得到国家自然科学基金和科技部973计划等项目的支持,以及人工微结构科学与技 术协同创新中心的支持。

(物理学院 科学技术处)