中国农业大学赵广华教授Nano Lett.:由淀粉样蛋白基序提供的疏水作用驱动的二维和三维蛋白质纳米网络

【引言】

蛋白质具有自我组装的能力，在进化过程中赋予自身多样的功能。蛋白质的周期性组装可以形成一维（1D）微管，二维（2D）细菌表面层和三维（3D）病毒衣壳。由于其复杂的拓扑结构和广泛的功能，蛋白质可成为制备可控自组装材料的构建单元。与DNA和肽作为构建单元相比，由于蛋白质表面及其作用力的不均一性，造成蛋白质自组装设计的困难。目前，采用了几种策略来实现蛋白质自组装，包括基于对称融合的自组装，利用金属配位，引入DNA或肽的交联寡聚体，基因融合方法和蛋白质计算机辅助设计。众所周知，非共价相互作用如氢键，静电相互作用和疏水相互作用是天然蛋白质结构形成的主要原因。但迄今为止，通过非共价相互作用，特别是疏水相互作用构建人工分层蛋白质纳米结构，与通过共价键（二硫键和金属配位键）相比，成功率较低，仍有待探索。

为了建立一种由疏水相互作用驱动的蛋白质自组装的有效方法，大自然提供了许多蛋白质自组装的例子。例如集中在星形胶质细胞末端水通道蛋白-4的方阵排布，以及肌肉和心脏组织中的间隙结斑块。除了在上述正常条件下发生的自组装外，蛋白质组装还出现在疾病中，例如镰状细胞性贫血中的血红蛋白变体的纤维束和阿尔茨海默病中的β淀粉样蛋白42（Aβ₄₂）沉积和tau蛋白纤维缠结。这些纤维缠结的形成形成通常由淀粉样蛋白基序（AM）驱动，例如由II型糖尿病中的“NFGAIL”基序诱导的胰岛淀粉样蛋白多肽纤维缠结，阿尔茨海默病中的“KLVFFAE”和“GLMVG”基序诱导的Aβ沉积，慢性炎症淀粉样变性病中“SFFSFLGEAFD”基序诱导的血清淀粉样蛋白的形成，以及甲状腺癌中“DFNKF”基序诱导的降钙素纤维缠结。 AM已被用于构建肽或蛋白质的纤维状自组装，纳米线的制造和其他类型的分子工程。然而，迄今为止，尚未探索使用AM构建蛋白质高度有序的2D至3D自组装。

【成果简介】

近日，中国农业大学赵广华教授课题组通过利用“GLMVG”基序贡献的疏水力，我们建立了一种有效的蛋白质自组装策略来构建二维（2D）或三维（3D）蛋白质纳米笼阵列。铁蛋白具有高度的对称结构，它有6个二重对称轴，4个三重对称轴和3个四重对称轴，将Aβ₄₂中的“GLMVG”基序嫁接到靠近铁蛋白四重轴(C₄) 通道的外表面上，铁蛋白（HF-GMG）首先自组装形成有序的2D排列，这些二维组装再相互作用，逐步叠加最终产生高度有序的3D排列。重要的是，这些蛋白质组装体的可逆性和形成速率可以通过pH调节。这项工作为精确控制2D或3D蛋白质自自组装提供了从头设计的策略。该成果以题为“Designed Two- and Three-Dimensional Protein Nanocage Networks Driven by Hydrophobic Interactions Contributed by Amyloidogenic Motifs”发表在Nano Lett.上。

【图文导读】

Figure 1.构建淀粉样蛋白基序介导的HF-GMG自组装示意图

(a).铁蛋白四重轴通道结构示意图

(b).HF-GMG可逆自组装的示意图，其中来自Aβ42的“₃₃GLMVG₃₇”基序被嫁接到靠近铁蛋白四重轴通道的外表面上

Figure 2.HF-GMG 2D阵列的表征

(a).蛋白质纳米笼2D阵列的TEM视图

(b,c).2D阵列的高倍放大TEM视图

(d).快速傅里叶变换（FFT）图像

(e). FFT转换图像

(f).基于图e的结构重建图

Figure 3.通过原子力显微镜（AFM）表征2D阵列

Figure 4.HF-GMG 3D的和形成过程

【小结】

在这项工作中，受Aβ₄₂聚集的启发，作者利用疏水相互作用作为驱动力与蛋白质对称性相结合来构建蛋白质纳米笼阵列，提供了调控蛋白质自组装的有效、简便方案。根据这个策略，可以通过“自下而上”的策略以可预测的方式生成高度有序的2D和3D蛋白质纳米笼阵列。更重要的是，通过改变溶液pH或反应时间，可以容易地调节这种高度有序的2D和3D铁蛋白纳米笼阵列的形成以及这两种不同阵列之间的转换。除了来自Aβ₄₂的“GLMVG”基序之外，正常或疾病发生条件下的其他AM也可以嫁接到蛋白质的外表面上。因此，这种蛋白质工程策略原则上可以应用于具有高对称性的其他蛋白质，例如Dps，病毒衣壳和其他人工蛋白质纳米笼或纳米环，从而产生各种具有不同特性的高度有序的自组装。

Designed Two- and Three-Dimensional Protein Nanocage Networks Driven by Hydrophobic Interactions Contributed by Amyloidogenic Motifs

(Nano Lett., 2019, DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b01365)

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赵广华，中国农业大学食品科学与营养工程学院，教授，博士生导师。目前研究团队主要从事蛋白质纳米载体的设计，以及蛋白质自组装机制及智能生物纳米材料制备方面的研究，主要研究对象为铁储藏蛋白(ferritin)。在Nature Communications,Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., ACS Nano等发表 SCI 约150 篇。主持国家自然科学基金重点项目、面上项目及滚球体育 部863项目7项，获授权国家发明专利 8 项。