Science：江亚军博士使用核磁共振技术解析HSP40与底物的分子结构

来源：iNature

分子伴侣蛋白控制着蛋白质的稳态平衡，是维持细胞生命的基石。分子伴侣蛋白功能的缺失可导致阿尔茨海默症，帕金森症等一系列常见重大疾病。Hsp40和Hsp70 分子伴侣蛋白组成一个协同工作的蛋白质机器，是分子伴侣蛋白网络的核心。分子伴侣蛋白的底物一般为尚未折叠、部分折叠或者错误折叠的蛋白，结构方面的研究非常困难。对于Hsp40-Hsp70分子伴侣蛋白机器如何处理底物从而发挥功能几乎完全未知。

2019年9月20日，美国St. Jude儿童研究医院Charalampos G. Kalodimos团队（江亚军为第一作者）在Science 在线发表题为“Structural basis for client recognition and activity of Hsp40 chaperones”的研究论文，该研究以核磁共振技术为主要手段，研究了Hsp40（DnaJ）和底物的相互作用，原子分辨率层次上解析了Hsp40和一个无结构底物蛋白的复合物结构（复合体的大小约为110-kDa）。研究结果表明Hsp40与底物的结合是非常动态的：Hsp40的四个底物结合位点能够同时识别底物上的十几个位点。研究工作阐明了Hsp40处理底物的机制，并且提出了全新的Hsp40-Hsp70分子伴侣机器的工作模型，解决了这个领域三十多年来的一个重大问题。

分子伴侣蛋白控制着蛋白质的稳态平衡，是维持细胞生命的基石。这类蛋白形成一个相互作用的蛋白质网络，通过动态协同合作促进蛋白质折叠、阻止蛋白质积聚、帮助输送底物蛋白质到正确的细胞部位发挥正常功能。分子伴侣蛋白功能的缺失可导致阿尔茨海默症，帕金森症等一系列常见重大疾病。

Hsp40和Hsp70 分子伴侣蛋白组成一个协同工作的蛋白质机器，是分子伴侣蛋白网络的核心。它们通过与底物的相互作用，帮助蛋白质折叠，从而控制蛋白质的命运。分子伴侣蛋白相互之间以及和底物之间的相互作用较弱并且一直处于一个非特异性的动态平衡之中。分子伴侣蛋白的底物一般为尚未折叠、部分折叠或者错误折叠的蛋白，结构方面的研究非常困难。对于Hsp40-Hsp70分子伴侣蛋白机器如何处理底物从而发挥功能几乎完全未知。

ttHsp40-PhoA复合物的结构

核磁共振技术是现代结构生物学的三大技术之一。近年来通过TROSY信号增强技术和蛋白质甲基选择性标记技术的结合，核磁共振技术适用的体系扩大到几百kDa的分子量范围。极大的拓宽了该方法的应用领域。核磁共振技术在研究原子分辨率下的分子机器的动态功能特征，重要的亚稳态构象以及较弱的生物大分子相互作用等方面有着极大的优势。核磁共振技术的独特性使其能够提供蛋白质机器的瞬时相互作用、动态构象变化和别构调控等信息。生命系统中的绝大多数蛋白质机器都是动态的，原子分辨率的动态特性只有核磁共振这一技术可以提供。核磁共振技术的这些特征使其成为研究分子伴侣蛋白质机器动态工作原理的强大的工具。

HSP40 和HSP70 的相互作用

以核磁共振技术为主要手段，研究了Hsp40（DnaJ）和底物的相互作用，原子分辨率层次上解析了Hsp40和一个无结构底物蛋白的复合物结构（复合体的大小约为110-kDa）。研究结果表明Hsp40与底物的结合是非常动态的：Hsp40的四个底物结合位点能够同时识别底物上的十几个位点。这样的结合模式破坏了底物的局部二级结构，改变了底物的折叠状态。该研究数据表明不同的Hsp40家族成员有不同数量的结合位点，并且对底物序列的识别有一定的差异。进一步研究表明Hsp70和Hsp40的动态相互作用可以使尚未折叠的底物从Hsp40的底物结合区域部分分离开来，从而达到调控Hsp40的活性和帮助底物转移到Hsp70上的双重功能。工作阐明了Hsp40处理底物的机制，并且提出了全新的Hsp40-Hsp70分子伴侣机器的工作模型，解决了这个领域三十多年来的一个重大问题。

这项工作得到了美国国立卫生研究院资助R35GM122462和ALSAC的支持。作者贡献：江亚军和Charalampos G. Kalodimos构思了研究并设计了实验。江亚军制备所有蛋白质样品，通过NMR测定伴侣复合物的结构，并进行活性测定；Paolo Rossi协助结构确定，江亚军和Charalampos G. Kalodimos写了手稿。

参考信息：

https://science.sciencemag.org/content/365/6459/1313