利用单分子力谱技术揭示金属硫蛋白的分子动态性

2021年8月3日，南京大学化学化工学院郑鹏教授课题组报道了利用先进的单分子力谱技术（Single-molecule force spectroscopy, SMFS）研究金属硫蛋白分子的工作。

通过测量单个金属硫蛋白分子，他们发现作为功能中心的多核金属簇具有极高的动态性，从而赋予了该蛋白人体金属存储、调控和重金属解毒的多种强大功能。

相关成果以“Highly Dynamic Polynuclear Metal Cluster Revealed in a Single Metallothionein Molecule”为题发表在Research上。

研究背景

金属硫蛋白（Metallothionein, MT）是人体内生成的一种重要的天然金属结合蛋白。

它既可以调控人体必需金属例如锌离子和铜离子的浓度，又可作为重金属解毒蛋白结合镉离子和汞离子等。

而这些强大的金属结合能力，都源于该蛋白分子富含半胱氨酸基团。

作为一种由约六十个氨基酸构成的小分子量蛋白，金属硫蛋白含有二十个半胱氨酸，一般可与七个金属离子结合形成两个复杂的金属簇M3S9和M4S11（图1）。

同时MT可分别结合十几种不同种类的金属离子，可能是人体内可结合金属种类最多的蛋白。

图1 金属硫蛋白含20个半胱氨酸，可结合7个金属离子。在其alpha和beta两个结构域中分别形成多核金属簇M4S11和M3S9

自从1957年被发现至今，对金属硫蛋白的研究一直长盛不衰。

它越来越多的功能被揭示，特别是在人类金属离子存储和运输中发挥着重要的作用。

MT既能够结合大量金属，又能在需要时快速解离或结合，因此一般认为该金属簇内的金属配位键具有较大的动态性。

事实上作为一种发现近六十年的小分子量的简单蛋白，MT的晶体却非常难以获得。

这些现象都暗示该蛋白，特别是其中的金属簇具有高度动态的结构特征，从而实现其各种功能。

但是这些可能的多重状态的存在，以及不同状态间的快速相互转化，使得在宏观层面得到的信息是大量状态信号的平均值，令该猜测的证明非常困难。

研究进展

为解决这个难题，郑鹏教授课题组首次采用以原子力显微镜（Atomic force microscopy, AFM）为仪器的单分子力谱技术研究金属硫蛋白。

在力谱实验中，通过力学操纵金属硫蛋白分子令其进行蛋白解折叠，从而导致其中的金属簇以及金属硫配位键受力断裂，产生特征的蛋白解折叠长度信号（图2）。

结果可以直接判断哪些金属硫配位键断裂并且测量它们相应的强度。最终实现了在微秒级的时间内快速测量单个金属硫蛋白。

图2 利用单分子力谱技术可以力学操纵和快速解折叠单个金属硫蛋白，成功观察到它两个结构域解折叠的信号9 nm和11 nm

通过单独测量上千个金属硫蛋白分子，他们发现蛋白内的金属簇断裂有近十种不同的断裂组合形式（图3）。

这说明蛋白内的金属硫配位键的断裂并不存在特定的断裂方式，而是具有较为相似的强度，导致它们断裂极大的随机性。

甚至这些配位键可能存在动态变化，从而不具备固定的断裂途径。

同时，他们还发现该动态性在两个金属簇都存在，而且不与所含金属种类相关，金属镉和锌都具有这样的性质。

图3 力谱技术观察单个金属硫蛋白可以发现多核金属簇Zn4S11至少具有8种不同的分步断裂机制

除了力谱实验工作，他们还与巴西圣保罗大学教授Guilherme M. Arantes合作，利用量子力学和分子模拟相结合的理论计算方法模拟了金属硫蛋白内铁硫簇的断裂形式。

结果也发现其中的金属簇断裂具有极高的随机性和动态性，完美的证明和解释了单分子实验结果（图4）。

图4 分子模拟得到单个金属硫蛋白的动态断裂机制

未来与展望

在该研究中通过采用单分子力谱技术研究单个金属硫蛋白，得到了清晰的单个分子解折叠和金属簇断裂信号，解决了以往宏观实验得到的是平均信号的问题。

特别适合研究具有多重状态以及相互快速转换状态的分子和体系。

从而揭示了金属硫蛋白具有强大的金属结合和解离功能的分子机制。

为我们更好的理解该蛋白的功能以及调控和设计相应的蛋白分子提供了宝贵的分子信息。

作者简介

郑鹏，南京大学化学化工教授，博士生导师。配位化学国家重点实验室和南京大学化学和生物医药创新研究院成员。

主要研究方向为化学生物学、生物无机化学和单分子科学。利用单分子和单细胞力谱技术和蛋白质工程等手段研究蛋白折叠、蛋白蛋白相互作用和蛋白偶联等。

以通讯作者和第一作者在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nature Commun.,和CCS Chemistry等高水平期刊上发表多篇文章。