研究揭示ATP提高蛋白质稳定性，抵抗细胞内环境扰动的独特机制

蛋白质的结构稳定性尤其是热稳定性对其行使生物功能至关重要。疏水作用以及蛋白质构象熵对应的熵效应是维持蛋白质稳定性的重要物理基础。近年来研究表明蛋白质在生物体内的稳定性和活性受到细胞周期的调节，从而造成不同阶段中基因转录和代谢水平的差异。同时，生物系统中显著的温度波动和温度梯度，特别是线粒体中的高温也会对蛋白质结构稳定性产生影响。此外，在细胞中其他生物大分子和细胞膜的非特异性相互作用也可能影响蛋白质的结构稳定性。如何保证蛋白质在生物系统显著的噪声干扰中稳定工作，并对细胞周期等相对微弱的信号进行有效响应至今仍是一个谜团。

ATP是细胞内的能量货币，为各项生命活动提供直接的能量来源。实验表明细胞周期中ATP的浓度变化明显，且与蛋白质稳定性的变化规律相同。最近研究发现，ATP分子还具有稳定蛋白质结构、调节蛋白质液液相分离的功能。值得注意的是，ATP提高蛋白质稳定性所需的最低有效浓度，要比传统化学助溶剂低两个数量级。进一步了解ATP与蛋白质之间的相互作用，揭示ATP调控蛋白结构稳定性的新机制，将为更好的理解生物系统中蛋白质的复杂结构和功能提供重要帮助。

浙江大学物理系李敬源课题组联合石锐研究员，并与浙江大学医学院陈祥军课题组合作，通过分子动力学模拟和实验研究了ATP与不同类型蛋白质的相互作用及其对蛋白质热稳定性的影响。作者发现ATP只与蛋白质的局部区域结合（图1），而且结合区域的分布呈现明显的异质性。蛋白质表面普遍存在一些结构涨落大、与蛋白质其他部分的关联程度低、容易受环境扰动影响的区域。这些区域在热扰动下的结构涨落加剧乃至结构改变是导致蛋白质稳定性降低的主要原因。由局部结构涨落所主导的ATP结合行为，可以使少数ATP有效覆盖这些关联程度较弱的区域，并增强它们和蛋白质其他部分的关联，从而显著提高蛋白质整体结构的稳定性（图2，图3）。这种结构涨落所主导的ATP结合模式以及通过提升局部关联程度增强蛋白质稳定性的作用机制，均与传统的化学助溶剂具有显著区别。作者分别使用ANS荧光光谱、核磁共振波谱以及热漂移实验与圆二色光谱验证了ATP的结合模式以及对蛋白质结构的稳定性的提升（图4）。

该研究从关联分析的角度揭示了ATP这种生物助溶剂所特有的作用机制与共性规律，这种机制不依赖与特定氨基酸的相互作用，因此ATP可以普遍地提高不同类型蛋白质的结构稳定性，为回答蛋白质如何在细胞内复杂环境中保持稳定工作，并对细胞周期等生理信号进行响应这一生物现象提供了新的视角。相关研究成果近期发表在JACS Au上［JACS Au 2021, 1, 1766-1777.］，并被选为JACS Au期刊的封面展示（图5）。浙江大学物理系欧新文博士、劳一翀、浙江大学医学院徐靖杰为论文共同第一作者。上述研究工作得到了国家自然科学基金、国家超级计算天津中心的大力支持。

参考文献：

Ou, X.; Lao, Y.; Xu, J.; Wutthinitikornkit, Y.; Shi, R.; Chen, X.; Li, J. ATP Can Efficiently Stabilize Protein through a Unique Mechanism. JACS Au 2021, 1, 1766-1777.

图1. ATP在溶菌酶表面的结合和聚集。（A, B）ATP与蛋白质结合的初始和最终构象。

图2. 结构涨落主导的ATP结合模式。（A）溶菌酶表面ATP倾向结合区域（红色），其中涨落显著的interdomain-loop以管状显示。（B）ATP倾向结合区域和其他区域中残基的平均RMSF。

图3. 高温环境中溶菌酶的结构稳定性。（A）蛋白质的结构变化程度（B）ATP结合可以稳定蛋白质结构（左图）

图4. 溶菌酶的热漂移实验测定（A，B）、ANS荧光光谱（C）和NMR波谱（D）

图5. 期刊内封面图。ATP倾向于覆盖蛋白质表面的柔性区域，通过提升这些区域的关联程度，从而提高蛋白质结构的整体热稳定性。