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本研究通过小角X射线散射(SAXS)技术,阐述了人蛋白质二硫键异构酶(PDI)全长分子在溶液中的低分辨率结构。重构模型表明PDI大约是一个短的椭圆柱体形状的分子,由此计算的分子质量为69 kDa,分子大小为105×65×40 A。原子力显微镜成像结果也表明PDI分子在溶液中大概是一个扁平的椭圆柱体。由于PDI的四个具有硫氧还蛋白折叠((Trx)-fold)模式的结构域的排列顺序是α-b-b-α’,而且α和α’有47%的序列一致性,b和b’有28%的序列一致性,用已经解析的α和b的NMR结构按α-b-b-α的顺序去叠合基于用DAMMIN方法所建立的PDI的最可能的分子模型。PDI的四个结构域按α-b-b’-α’顺序以环形的方式排列,而不是其它小组所报道的线形排列方式。本重构的PDI四个结构域环形排布的分子模型,不仅可以较好地解释以前文献所报道的一系列实验结果,如交联实验发现PDIα和α’活性位点间的最小距离为16 A,PDI的四个结构域(尤其是α,b’和α’)是PDI作为一个有效的分子伴侣和体现其最大催化活性所必需的等,该模型还与后来在Cell上发表的酵母PDI的晶体结构具有相当类似性。
本文基于分子筛分析的结果,PDI长期被认为是一个同源二体,但是SAXS和超离心分析的结果都表明它实际上是单体。通过对PDI分子C端一系列截短突变体的分子筛分析,笔者发现PDI C端的441-491序列可能是造成PDI分子筛行为异常的原因。由于PDI C端463-491序列与α-Synuclein C端99-140序列在酸性、钙离子结合活性和无规卷曲的结构方面有类似性,进一步构建了Trx与这两段序列的融合蛋白(Trx-PDI(441-491)和Trx-Syn(99-140))。与Trx不同,这两个融合蛋白在分子筛上分别表现为二体以及二体和四体的平衡:超离心分析表明它们在分子筛上表现为二体的组分都是单体,而在分子筛上表现为四体的Trx-Syn(99-140)组分是二体。因此,PDI C端441-491序列中的无规卷曲结构可能是造成PDI分子筛行为异常的原因。研究发现,基于蛋白沉降速率数据所计算的分子轴比通常都比分子的实际轴比要大,因此人们在简单地基于沉降速率数据建立蛋白分子模型时必须非常谨慎。