论文标题：Link node: A method to characterize the chain topology of intrinsically disordered proteins

期刊：Quantitative Biology

作者：Danqi Lang, Le Chen, Moxin Zhang, Haoyu Song, Jingyuan Li

发表时间：4 Nov 2024

DOI：10.1002/qub2.96

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在过去的二十多年中，生物物理学家一直致力于解析蛋白质的结构，并发展出多种表征方法，例如X射线晶体学、核磁共振波谱和冷冻电镜等。这些方法依据结构生物学的原理，通过实验和计算手段描绘蛋白质的三维构象。然而，这些传统方法在表征固有无序蛋白（Intrinsically disordered protein, IDPs）时面临巨大挑战。一方面，IDPs具有高度动态的特性，在生理条件下不存在单一稳定的三维结构。另一方面，传统的结构表征参数如回转半径和非球面度等，虽能反映IDPs分子的整体尺寸和形状，却无法充分描绘其内部结构的细节与特性。因此，开发能够准确描述IDPs构象及其变化的通用方法是生物物理学领域的重要挑战。

近期，浙江大学物理学院李敬源团队在Quantitative Biology期刊上发表了题为Link node: A method to characterize the chain topology of intrinsically disordered proteins的文章，独辟蹊径地从拓扑的视角出发，提出了名为“链接节点（Link Node）”的新方法，为理解IDPs的动态结构提供了全新的框架。

全文概要

如图1所示，研究团队开发了一种基于高斯链接数（GLN，一个用于量化两条曲线在空间中相互缠绕次数） 的拓扑方法，来探索固有无序蛋白（IDP）链拓扑结构的稳定特征。作者选用了典型的IDP——LAF-1蛋白的RGG结构域作为模型，通过全原子分子动力学模拟获得了其在不同时刻的大量构象。通过系统性地计算链内任意两个片段之间的缠绕程度，并绘制成GLN图谱，研究团队得以量化IDP内部的“物理链接” (图1)。最终，从GLN图谱中识别出表征物理链接交叉位置的关键点——链接节点(Link Node)，并分析了这些拓扑特征在构象演化中的稳定性及其与结构涨落的关系。

图1. 基于GLN图谱的IDP链拓扑结构分析。(a) 从分子动力学模拟轨迹中获取的IDP链，链内存在互相缠绕的“物理链接”。(b) GLN图谱，图谱中的色块可以表征IDP链内的“物理链接”。

GLN图谱有效区分相似构象并揭示拓扑演化

研究团队采用高斯链接数（GLN）来刻画IDP链片段的纠缠，系统性地计算了氨基酸片段之间的GLN，构建出了GLN图谱。该图谱中每个点的颜色和数值分别代表了由对应两个片段所形成的空间缠绕的程度与方向。文章发现，这张图谱能够有效区分传统参数（如回转半径等）非常相似的IDP构象。进一步的，通过分析GLN图谱随时间的轨迹，作者观察到IDP的链拓扑结构演化相当缓慢，其相关性时间尺度可达数百纳秒，远慢于IDP内氨基酸残基的接触寿命。也就是说，拓扑分析表明，在快速的局部涨落之下，IDP还存在一个相对缓慢的演化模式。

链接节点（Link Node）揭示拓扑约束结构涨落

研究团队进一步从GLN图谱中识别出一种关键结构特征——链接节点 （Link Node），其定义为IDP链中两个氨基酸片段发生空间交叉、形成物理链接的位点。这些节点是链拓扑的“枢纽”。 定量分析显示，各个氨基酸成为Link Node的概率，与其结构涨落程度（RMSF）呈显著负相关性。这意味着，那些频繁参与形成链内缠绕关键点的残基，其结构波动性显著更低，说明链的拓扑纠缠对其构象动态产生了实质性的约束效应。

静电相互作用是介导拓扑链接形成的机制

为了探究稳定拓扑结构的形成机制，团队分析了具有长寿命（>50 ns）的物理链接。文章发现，在这些存在长寿命物理链接的区域，带电荷氨基酸（如精氨酸和天冬氨酸）的比例显著高于蛋白质整体的平均水平。这表明，静电相互作用可能是介导并维持这些关键物理链接形成的主要驱动力。

未来应用前景

这项工作提出的Link Node方法，为定量表征IDPs的动态结构提供了全新的拓扑视角和分析工具。该方法未来有望被广泛应用于更多种类的IDPs研究，系统揭示其特定的链拓扑特征如何影响其生物学功能，甚至为理解与IDPs功能失调相关的疾病（如神经退行性疾病、癌症）提供新的结构生物学见解。

QB期刊介绍

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