【无序蛋白】高亲和无序蛋白与核小体快速解离机制

2018年，瑞士苏黎世大学的Benjamin Schuler课题组在Nature上首次报道了两个天然无序蛋白组蛋白H1.0和其伴侣蛋白前胸腺素α（ProTα）在高强度结合后依然保持高度动态的无序结构特征。之后，他们又在Nature Communications上发表文章，对结合后依然保持高度无序的无序蛋白结合-解离机制进行了进一步的研究。本公众号于2021年1月11日发文《高亲和无序蛋白复合物快速结合解离机制》介绍了该工作。今年1月6日，该课题组又在Nature Chemistry上发表文章：“Release of linker histone from the nucleosome driven by polyelectrolyte competition with a disordered protein”，揭示了这对高电荷天然无序蛋白与核小体间新的相互作用机制。

——研究背景——

组蛋白是一组普遍存在的核蛋白，主要通过其无序的多阳离子区与多阴离子的核酸的强静电相互作用将DNA包装到染色质中。其中，连接组蛋白特别值得注意：它们大部分是无序的，带高正电荷，在一个小的折叠球状结构域的两侧有两个无序区域。通过结合核小体上的连接DNA，连接组蛋白有助于染色质凝聚和转录调节。

——实验结果——

首先，作者使用单分子Förster共振能量转移(sm-FRET)研究了人组蛋白连接子H1.0 (H1)与核小体的结合。通过在H1的113位和194位分别附着一个供体和受体荧光团，跨越其无序的c端区域 ( 图1a)，并监测其与核小体在溶液中自由扩散的结合。结果表明H1能与核小体以高亲和力可逆结合（图1），并且结合强度对盐浓度十分敏感。

图1：H1与核小体以高亲和力可逆结合。

 

之后，为了探究h1 -核小体相互作用的动力学机制，作者将标记的核小体通过生物素-链霉亲和素标记固定在聚乙烯-乙二醇-钝化的盖玻片上，并使用共聚焦单光子计数记录单个核小体的荧光时间轨迹长达数分钟。通过对结果进行动力学分析，发现在生理条件下H1与核小体的结合是相当迅速的，最高可达到10⁹M^-1s^-1数量级，但是解离速率仅为0.1s^-1，这显然无法达到生命过程中的高效快速的反应需求。然而，当伴侣蛋白前胸腺素α（ProTα）加入体现时，解离速率被观测到显著加快。

 

——机制阐明——

ProTα的加入后动力学现象的显著变化使作者认为存在三元复合物的可能。通过纳秒荧光光谱检测多位点标记的H1和核小体的FRET，并且通过粗粒化分子动力学模拟研究H1, ProTα和核小体的相互作用。测得的H1和核小体的FRET实验数据与动力学模拟有很高的一致性，并且结果说明H1在与核小体的相互作用中保持高度无序。

结合分子动力学模拟与实验数据，H1通过复合物中可能的多价相互作用被带负电荷的伴侣ProTα解离的机制可以如下描述：在这一过程中，由于有利的静电相互作用，两种蛋白质之间的接触数量逐渐增加。因此，ProTα与DNA竞争H1的无序区域，减少H1-DNA接触的几率，降低H1与核小体的相互作用强度，导致连接DNA臂的打开。这一过程的模拟结果如下

视频1：竞争解离过程模拟轨迹：ProTα(红), H1(蓝), DNA(灰) 

 

——小结——

该研究结果表明，无序蛋白可以促进一种分子竞争机制：高度无序的、静电驱动的生物分子复合物有助于形成短暂的三元相互作用，在这种相互作用中，竞争的结合伙伴入侵现有的复合物并加速解离。这种“竞争性替代”的机制在合成聚电解质领域已为人所知，但它在生物学中的作用在很大程度上仍未被探索。考虑到核蛋白中大量的无序，包括转录因子、聚合酶和其他RNA和DNA结合因子，竞争取代很可能在细胞核中的生物分子相互作用中广泛存在，并可能在细胞调节中发挥重要作用。

尽管人们知道蛋白质中带电无序区域的存在已经有几十年了，但我们现在才刚刚开始阐明其功能背后的物理基础。关于聚电解质相互作用的物理化学和与无机离子的竞争的已建立的概念，对于详细了解带电荷的无序蛋白的亲和性，以及它们对细胞中其他分子的相互作用至关重要。而进一步阐明无序蛋白行使功能的物理化学机制，对我们实现其功能调控具有重要的意义。

参考文献：

Pétur O. H., et al. "Release of linker histone from the nucleosome driven by polyelectrolyte competition with a disordered protein." Nature Chemistry 14(2022): 224–231. DOI:10.1038/s41557-021-00839-3.