组氨酸开关控制螺旋蛋白丝状体的 pH 响应性自组装

自组装螺旋蛋白丝状体是多种生物过程的基础，从信号通路到细胞运动均依赖于此。如何将可调控的自组装特性编码到丝状蛋白的序列中，仍然是一项重大挑战。在本研究中，我们发现 caspase-9 的 CARD 结构域能够以受 pH 调控的方式天然自组装形成螺旋丝状体。我们采用整合结构学、生物物理学和计算方法的研究策略，界定了丝状体组装的决定因素。利用 NMR 光谱，我们发现位于 N 端螺旋偶极附近的单个组氨酸残基 H38 的质子化状态，调控了这一 pH 依赖性的自组装过程。该位点上改变电荷的突变可在不同溶液条件和 pH 条件下调节热力学稳定性及丝状体自组装行为。我们分别解析了野生型和 H38R 丝状体的 3.3 Å 和 3.5 Å 冷冻电镜结构，结果显示 H38 直接定位于丝状体界面处。分子动力学模拟表明，H38 作为一个分子开关发挥作用：其质子化后，带正电的侧链会旋转并朝向溶剂，远离 N 端螺旋偶极上的部分正电荷。这体现了稳定分子间缔合与螺旋偶极处分子内静电排斥所致不稳定效应之间的精细平衡。更广泛地说，我们结合 AlphaFold2 预测与深度突变扫描数据，在 350 个含螺旋的蛋白结构域中鉴定出螺旋偶极附近静电作用对蛋白稳定性的贡献。综上，我们的结果揭示了一种天然存在、对 pH 敏感的组氨酸开关，可调控自组装螺旋蛋白丝状体。我们的研究进一步确立了一种机制，即可通过工程化改变螺旋 N 端附近的电荷突变，来控制侧链旋转异构体、蛋白稳定性以及自组装过程。

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🏷️ pH响应性自组装 组氨酸开关 螺旋蛋白丝状体 蛋白质稳定性 冷冻电镜 分子动力学模拟