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Prion疾病的一个重要特征是由于蛋白质错误折叠而导致的淀粉样聚集,在对prion形成机制的探索中,蛋白质折叠与淀粉样纤维化关系的研究显得尤其重要。Ure2是酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)的氮代谢负调控因子,体内表现类prion行为,体外可以聚集形成淀粉样纤维。Ure2的N-端是柔性比较大的prion诱导结构域,C-端为球形结构域,在Ure2形成纤维后仍保持其天然态构象,并围绕在由N-端堆叠形成的富含β-sheet的核周围。体内实验表明C-端某些区域的缺失会影响Ure2的prion诱导能力。由此可见,C-端结构域既与Ure2蛋白的折叠有关,又与其prion诱导能力有关,我们借助内源荧光、停流实验以及thioflavin T(ThT)结合荧光、原子力显微镜(AFM)、电子显微镜(EM)等手段对C-端缺失221-227位残基、151-158位残基以及在此基础上继续缺失N-端不同特征区域的突变体进行了研究,分析了它们的稳态去折叠过程、折叠动力学过程和体外成纤维过程。
Ure2 C-端221-227位残基的缺失会导致Ure2天然态的稳定性降低,使其更容易变性成为部分去折叠的二体中间体,而二体中间体的稳定性则未被改变。另一方面△221-227Ure2在体外可以形成与野生型形态相同的纤维,但其成纤维的延迟期相对变长,这与221-227位残基缺失导致prion诱导能力降低的体内实验结果一致。C-端151-158位残基的缺失并不改变天然态到部分去折叠态二体中间体的去折叠稳定性,但二体中间体到完全去折叠态的稳定性降低。37℃振摇情况下△151-158Ure2成纤维的延迟期相对野生型大大缩短,并且到达平台期后的ThT荧光值也比较高。这与151-158缺失导致prion诱导能力增强的体内实验结果一致。但通过电镜观测却发现△151-158Ure2体外不能形成与野生型相同的纤维,而是形成蛋白寡聚体,这种寡聚体可以结合ThT使其荧光信号强度升高,推测可能是一种含有cross-β结构的聚集体。这些结果表明,Ure2 C-端221-227和151-158位残基不但影响蛋白质的折叠过程,而且在体外淀粉样纤维化的过程中也发挥重要作用,甚至影响纤维高级结构的堆叠。
在对Ure2 N-端、C-端双截短突变体的研究中,我们发现在△221-227Ure2基础上继续缺失N-端15-42位保守残基会导致蛋白质从天然态到二体中间体的稳定性升高,而二体中间体到完全去折叠状态的稳定性降低,从天然态到完全去折叠状态的稳定性降低,这表明N-端15-42位残基的缺失会影响C-端的折叠性质,暗示这一区域和C-端的221-227区域存在相互作用。通过AFM对体外成纤维时间过程的检测中发现,△15-42△221-227Ure2相对△15-42Ure2和△221-227Ure2甚至WT Ure2都更快速地形成大量均一细长的纤维,表明在△221-227Ure2基础上继续缺失N-端15-42位残基会使体外成纤维能力显著提高。而通过电镜对平台期纤维的扫描发现△1-14△151-158Ure2与△151-158Ure2一样只能形成蛋白寡聚体,但△15-42△151-158Ure2却可以形成和野生型形态相同的纤维。表明N-端15-42位氨基酸残基的缺失可能会“挽救”突变体使其倾向于类似野生型Ure2的纤维生长过程。