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JEB:美学者解释潮间带滨螺卓越的蛋白质稳定性原因

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摘要 : 2017年5月31日,国际期刊《Journal of Experimental Biology》杂志上在线发表了美国斯坦福大学George Somero教授研究组及厦门大学的董云伟教授研究组合作的一篇研究论文,研究介绍了潮间带滨螺卓越的蛋白质稳定性的原因。

2017年5月31日,国际期刊《Journal of Experimental biology》杂志上在线发表了美国斯坦福大学George Somero教授研究组及厦门大学的董云伟教授研究组合作的一篇研究论文,研究介绍了潮间带滨螺卓越的蛋白质稳定性的原因。

无论外界环境温度如何变化,多数恒温动物的体温均维持在一个合理且稳定的水平;如果没有非常特殊的原因,生物不会丧失这一稳态。但对于生活在岩石相潮间带的变温动物来说,其体温则不那么规律。潮间带许多软体动物不会随着潮起潮落而迁徙,当潮水退去时,它们会滞留在高潮间带,失去了海水的庇护,其机体逐渐干燥,体温也随之升高,造成细胞内蛋白质微结构开始变性。然而,高潮间带 Echinolittorina滨螺在炙热阳光的烘烤下,却能耐受高达 50℃ 的超高体温。被这些微小生物不可思议的温度耐受能力所吸引,本研究探索上述耐高温生物是如何在其它生物蛋白质已经变性的极端高温条件下,仍旧保持体内蛋白质微结构和功能的完整性。

细胞质苹果酸脱氢酶(cMDH)广泛存在于生物体内,参与多种生化途径,在维持氧化/还原平衡,促进细胞质和细胞器代谢产物交换方面具有重要作用。研究团队采集了 Echinolittorina 科的两种滨螺:能够耐受高达 55 ℃极端高温的塔结节滨螺(E. malaccana),以及热耐受性稍逊的粒结节滨螺(E. radiata),以探究 E. malaccana 具有如此高热耐受能力的机制。从滨螺体内分离出酶后,在 20 至 40C 温度范围内,测定了 cMDH 米氏常数(即KMNADH),结果表明,E. malaccana cMDH 在高温条件下比 E. radiata cMDH的催化功能更强。同时在不同温度下(最高达57.5C )对酶进行温度刺激实验,测定高温对酶活性的影响,1h 热激实验结束后,E. radiata cMDH几乎完全失去活性,而耐高温能力更强的 E. malaccana cMDH 虽然活性显著下降,却仍未失活,保留了一定活性。

为什么 E. malaccana cMDH 具有如此高的耐高温能力?带着这个疑问,团队成员对上述两种不同来源的 cMDH 氨基酸序列进行了测定,发现两个关键位点第48号和114号位点。在

E. radiata cMDH 中,这两个位点是丝氨酸,而在 E. malaccana cMDH 中则是最简单的甘氨酸。为了探究上述氨基酸序列的细微变化是如何影响蛋白质的结构与功能,研究团队利用计算机模拟方法,在 42 和 57℃下进行模拟,获得蛋白质微结构在不同温度影响下的变化轨迹,成功发现 E. malaccana cMDH 在 57C 极端高温下较 E. radiata cMDH 更稳定的关键原因;另一方面,模拟结果同时指出,在与酶功能紧密相关的氨基酸区域,温度耐受性更强的蛋白质的柔性更强。研究团队还指出,局部柔性的增长使得酶在低温条件下能够发挥其催化功能,同时能在其它蛋白质已变性的极端高温条件下,起着稳定蛋白质结构的作用,避免酶在高温刺激下而失活。

原文链接:

Heat-resistant cytosolic malate dehydrogenases (cMDHs) of thermophilic intertidal snails (genus Echinolittorina): protein underpinnings of tolerance to body temperatures reaching 55°C

原文摘要:

Snails of the genus Echinolittorina are among the most heat-tolerant animals; they experience average body temperatures near 41–44°C in summer and withstand temperatures up to at least 55°C. Here, we demonstrate that heat stability of function (indexed by the Michaelis–Menten constant of the cofactor NADH, KMNADH) and structure (indexed by rate of denaturation) of cytosolic malate dehydrogenases (cMDHs) of two congeners (E. malaccana and E. radiata) exceeds values previously found for orthologs of this protein from less thermophilic species. The ortholog of E. malaccana is more heat stable than that of E. radiata, in keeping with the congeners' thermal environments. Only two inter-congener differences in amino acid sequence in these 332 residue proteins were identified. In both cases (positions 48 and 114), a glycine in the E. malaccana ortholog is replaced by a serine in the E. radiata protein. To explore the relationship between structure and function and to characterize how amino acid substitutions alter stability of different regions of the enzyme, we used molecular dynamics simulation methods. These computational methods allow determination of thermal effects on fine-scale movements of protein components, for example, by estimating the root mean square deviation in atom position over time and the root mean square fluctuation for individual residues. The minor changes in amino acid sequence favor temperature-adaptive change in flexibility of regions in and around the active sites. Interspecific differences in effects of temperature on fine-scale protein movements are consistent with the differences in thermal effects on binding and rates of heat denaturation.

doi:10.1242/jeb.156935

作者:George Somero和董云伟 点击:

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