蛋白质溶液结构及动力学的核磁共振研究

高场液相核磁共振技术作为解析高分辨率蛋白质结构的两大主要手段之一,在近二十几年的时间里得到了迅猛的发展. 一方面,随着谱仪硬件技术、核磁脉冲技术和蛋白质标记技术的不断发展,液相核磁共振技术所能够研究的蛋白质不断突破分子量的限制,可以达到几万,甚至几十万. 另一方面,液相核磁共振技术成功地应用于蛋白质分子动力学的研究中,是目前唯一能够对蛋白质多个位点同时进行动力学研究的实验方法,并且仍在不断地创新、发展和完善中. 本文从蛋白质溶液结构的解析和动力学的研究两个主要方面对液相核磁共振研究的基本方法进行简要的介绍,并结合实例介绍一些最新的研究进展.     

二价金属离子与YycFN相互作用的NMR研究

YycGF最早发现于枯草芽孢杆菌,是与细胞存活密切相关的双组分信号转导系统存在于少量低鸟嘌呤和胞嘧啶(G+C)含量的革兰氏阳性菌中,包括金黄色葡萄球菌和肺炎链球菌等人类病原菌,在外界环境刺激下,胞膜上的组氨酸激酶YycG通过自身组氨酸磷酸化活化,将磷酸根转移至反应调节蛋白YycF的N端调节区(YycF_N)使之磷酸化,调控下游基因表达,实现特定细胞应答反应.二价金属离子在双组分信号转导系统反应调节蛋白的磷酸化过程中起着非常关键的作用,但它们与YycF_N相互作用的机制尚不清楚.该文利用液体核磁共振(NMR)方法研究了Ca~(2+)、Mg~(2+)两种离子与YycF_N的相互作用,对详细的相互作用界面进行了分析,并计算了Ca~(2+)、Mg~(2+)与YycF_N的解离常数(K_d).发现金属离子的关键作用位点是Asp9、Asp16和Asp53等残基,蛋白的整体构象也发生了一定变化,为阐明二价金属离子在反应调节蛋白信号转导过程中的作用机制提供了重要线索.     

蝎毒素LmKTT-1a与胰蛋白酶相互作用研究

LmKTT-1a是最近发现的一个蝎毒素,该多肽分子不仅具有钾离子通道调节剂的功能,还具有胰蛋白酶(Trypsin)抑制剂的活性,是第一个被发现的双功能蝎毒素.虽然前期工作已对LmKTT-1a的溶液结构和钾离子通道调节剂的功能进行了研究,但未阐明LmKTT-1a和Trypsin的作用方式和位点.文中利用液体NMR的手段,采用化学位移扰动分析的方法,确定了LmKTT-1a的loop区域V10~F17等氨基酸位点可能参与了与Trypsin的相互作用.进一步采用定点突变的方法验证了NMR实验的结果,并确认了LmKTT-1a与Trypsin相互作用最关键的氨基酸位点是K14.该研究结果有助于进一步理解LmKTT-1a具有双功能活性的结构基础.     

蛋白质溶液构象的核磁共振计算方法研究

建立由2D NOESY诺峰强度计算蛋白质溶液构象的实用方法,先用完整弛豫矩阵分析方法程序计算H-H原子间距约束,然后用距离几何算法程序计算出三锥空间结构,再用有约束的分子动力学算法程序结合能量优化程序精化结构,并模拟出该结构的NOESY诺峰强度与实验NOESY谱峰强度对比,经多次迭代计算与精化得到合理稳定的蛋白质构象。用BPTI前30肽晶体结构进行模拟测试,表明本方法是成功可行的。     

细胞灌注-核磁共振联用方法的研究

该文报道了研制的一套细胞灌注装置,并运用该细胞灌注装置与核磁共振连用的方法在线监测药物作用下肿瘤细胞的能量代谢过程. 结果表明核磁共振细胞灌注方法可有效观察到细胞能量代谢的变化,可作为追踪筛选药物的活性成分及探索药物治疗肿瘤细胞的作用机理的一种有力手段.     

蛋白质分子核磁共振谱峰的特性及其化学位移归属

尽可能完全、准确地归属蛋白质分子的核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance,NMR）谱峰,是解析可信赖、高质量的蛋白质三维空间溶液结构的首要条件．自动归属软件的开发和应用,已经方便并加快了蛋白质分子核磁共振谱峰的归属进程．然而,对蛋白质核磁共振研究领域的新手来说,因为缺乏对蛋白质分子的核磁共振谱峰特性的系统认识而可能发生对自动归属结果的错误指认或指认不完全,从而导致蛋白质结构解析的错误或偏差．该文针对蛋白质分子中的核磁共振谱峰特性,比如同位素效应和立体异构等,结合具体的蛋白质分子的核磁共振实验图谱,进行了较为详尽的论述,期望对从事蛋白质核磁共振的研究者在理解蛋白质分子的核磁共振谱峰特性及其归属方面有所裨益．     

蝎毒素LmKTT-1a 与胰蛋白酶相互作用研究

LmKTT-1a 是最近发现的一个蝎毒素,该多肽分子不仅具有钾离子通道调节剂的功能,还具有胰蛋白酶（Trypsin）抑制剂的活性,是第一个被发现的双功能蝎毒素．虽然前期工作已对LmKTT-1a 的溶液结构和钾离子通道调节剂的功能进行了研究,但未阐明LmKTT-1a 和Trypsin 的作用方式和位点．文中利用液体NMR 的手段,采用化学位移扰动分析的方法,确定了LmKTT-1a 的loop 区域V10~F17 等氨基酸位点可能参与了与Trypsin的相互作用．进一步采用定点突变的方法验证了NMR 实验的结果,并确认了LmKTT-1a与Trypsin 相互作用最关键的氨基酸位点是K14．该研究结果有助于进一步理解LmKTT-1a具有双功能活性的结构基础．     

NMR在α-synuclein的结构及相互作用研究中的应用

α-synuclein(AS)是一种和帕金森病(PD)密切相关的天然无结构蛋白,是PD标志物路易小体(LB)的主要成分.AS异常聚集和纤维化被认为是引起PD的主要原因之一,因而针对其结构、聚集和功能的研究一直是国际上的热点.核磁共振(NMR)技术能获得具有原子分辨率的蛋白质结构和动态信息,尤其适合研究其它生物物理方法难以研究的天然无结构蛋白.该综述主要讨论NMR技术结合其他技术手段在AS的结构、聚集机制、以及与生物膜、金属离子和其它蛋白质相互作用研究中的应用.这些研究结果为探索PD的发病机制提供了有益的线索.     

核磁共振研究中蛋白质样品的同位素标记策略

在运用核磁共振技术研究蛋白质溶液三维结构和动态特性中,蛋白质的同位素标记表达是研究的关键. 至今已发展的同位素标记技术和蛋白质表达系统已获得了广泛的应用,对蛋白质的核磁共振研究起到了巨大的推动作用. 但是随着蛋白质研究的深入发展,原有的一些常规标记表达技术已不能完全适应核磁共振研究的需要. 近年来,陆续出现的一系列同位素标记新技术和蛋白质表达新系统可以满足不同物种来源的蛋白质及更高分子量的蛋白质的核磁共振研究的需要. 本文旨在对这些蛋白质标记表达新技术的方法及应用予以逐一介绍.     

MRG15与甲基化组蛋白H3K36相互作用研究

人源转录调控因子MRG15（MORF4 related gene on chromosome 15）是在胚胎发育,细胞增殖和衰老过程中具有重要作用的蛋白质. 在分子水平上,MRG15的chromo结构域能够与组蛋白H3甲基化的肽段H3K36me3相互作用. 为了确定二者的作用位点和方式,利用液体核磁共振的方法对MRG15 chromo结构域和H3K36me3多肽进行了研究. 对MRG15 chromo结构域进行归属,用化学位移扰动的方法研究了其与H3K36me3肽段的相互作用,确定了相互作用位点的关键氨基酸为H21,Y46,W49和W53,并计算了解离常数约为1 mmol/L. 研究结果对于阐明MRG15与组蛋白H3的结合和相互作用机制提供了重要的线索.     

GB1与金属离子相互作用的NMR研究

G群链球菌G蛋白的B1结构域——GB1蛋白,常被用作发展体外及体内基于顺磁核磁共振（NMR）的蛋白质结构测定方法的研究模型.为确保赝接触化学位移（PCS）、顺磁弛豫增强（PRE）等顺磁约束数据的准确性,了解GB1和金属离子,尤其是顺磁离子的相互作用非常必要.然而GB1和二价金属离子以及镧系金属离子的相互作用并不十分清楚.本文利用NMR波谱研究了GB1和镧系金属离子以及多种二价金属离子的相互作用.我们发现GB1和镧系金属离子之间存在弱特异性相互作用,和Mn²⁺、Cu²⁺以及Co²⁺等顺磁二价离子弱结合,但不与Ca²⁺、Mg²⁺以及Zn²⁺等抗磁二价离子结合.该研究表明在GB1上链接顺磁探针时,应使用与固有位点结合常数差异明显的顺磁标签以获取正确的PRE数据.     

用NMR技术研究蛋白质-配体相互作用

蛋白质-配体相互作用的研究对理解生命过程、药物设计和药物筛选具有相当重要的科学意义和巨大的经济价值. NMR是研究蛋白质-配体相互作用的最有用的技术之一,有着显著的优势. 本文综述了近年来国际上用NMR技术研究蛋白质-配体相互作用的发展状况和趋势,先介绍表征蛋白质-配体相互作用的重要参数,然后介绍如何判断蛋白质或配体与复合物的化学交换类型以及所能获得的有关蛋白质-配体相互作用的信息,最后介绍具体用于研究蛋白质-配体相互作用的若干NMR技术以及基于NMR的药物筛选技术.     

几种高分子材料的域结构、分子动力学和相互作用的固体NMR研究

聚3-羟基丁酸酯(PHB)是微生物细胞在其生长的特定时期在胞内合成的具有相应生物功能的聚羟基烷酸酯类物质, 是一种具有潜在的广泛应用前景的生物可降解的高分子材料. 由于天然的PHB其较高的结晶度和较窄的温度处理范围,它在应用过程中受到较大的局限性. 人们将结构相似的单体3-羟基戊酸(HV)与3-羟基丁酸(HB)共聚形成共聚物(PHBV)以后, 显著改善了PHB的物理机械性能,譬如:冲击强度和韧性有所增加，而硬度脆性有一定程度的下降. 人们虽然在这些降解高分子材料的开发、制备和物理机械性能以及这些材料的应用等方面有很多研究，但是有关分子水平的问题并未得到系统的探索. 因此，针对这些分子基础问题(结构域特征和分子动力学等)做了一些初步的研究.  全氟磺酸树脂(Nafion)是杜邦公司生产的一种燃料电池电极薄膜材料，其较低的使用温度(<100℃)严重地限制了它的应用范围. 人们发现，当把层状硅酸盐(蒙脱土)和Nafion合成为有机无机纳米复合材料之后，在一定程度上提高了它的使用温度. 虽然这种复合材料很容易合成出来并且已经运用到了实际工业应用之中，但是这种热稳定性提高的原因却不甚清楚. 通过固体NMR等分析方法从微观相互作用方面来认识这种宏观性能改善的原因.  使用固体¹³C CP MAS、¹³C SPE MAS NMR以及XRD方法测定了PHB和两种PHBV的结晶度(X_c)，发现随着HV的引入它们的X_c 逐渐减小. 研究同时发现在测量X_c 的这几种方法中¹³C SPE MAS NMR误差较小. 实验中我们利用质子弛豫诱导谱编辑(PRISE)、质子自旋扩散(Spin-diffusion)等固体NMR技术研究了PHB以及不同含量HV的PHBV的结构域特征和相应结构域的运动性. 实验结果表明随着HV含量的增加，它们的非晶相结构域尺寸增大，晶相结构域尺寸减小，可以看出HV的引入导致PHB的结构域特征的变化是其宏观性能改善的原因.  进一步通过低分辨固体NMR测量了PHB和PHBV的变温质子弛豫时间(T₁, T_1ρ, T₂), 然后通过理论拟合获得了它们不同运动状态的分子运动相关频率(τ_c)和分子活化能(E_a)等动力学信息，研究发现随着HV含量的增加，分子运动加快，活化能减小，在分子水平上认识了HV的引入使得PHB宏观性能改善的微观原因.  通过溶胶凝胶法合成了燃料电池电极薄膜(Nafion)和层状硅酸盐(蒙脱土)纳米复合材料来提高Nafion的使用温度，FT-IR和²⁹Si MAS NMR实验结果表明在杂化材料中虽然质子化的十二烷基胺修饰的蒙脱土(MMT)的引入没有导致MMT的骨架结构发生明显变化，而且Nafion也没有插入到MMT的层间，但是TGA分析表明杂化材料中的Nafion的热稳定性比纯的Nafion高. 通过一系列固体NMR技术包括¹⁹F MAS、¹H-¹³C CP MAS NMR和¹H-¹³C HETCOR 2D NMR实验初步证实了这种材料的热稳定性的提高可能是由于MMT表面吸附的NH⁺₃与Nafion侧链上的SO^-₃之间存在较强的静电相互作用，初步可以认为这种相互作用是导致电极材料性能改善的原因.     

盐酸托哌酮的NMR研究

应用1D NMR和脉冲梯度场2D NMR技术深入研究盐酸托哌酮的溶液结构,对其¹H和¹³C NMR化学位移进行全归属,并讨论其立体化学.     

2-酮基-L-古龙酸结构发生改变的核磁共振研究

发现并揭示了2-酮基-L-古龙酸在许多种溶剂中发生了结构改变,该物质在室温条件下,无需施加任何外力因素,分子中极易发生分子内成环结构变化:分子中的羰基(-C=O)双键断开变单键,形成了2,5位半缩醛五元环衍生物,使分子内出现了O-C-O基团,其标题化合物的核磁共振碳谱(13C NMR)羰基特征峰的化学位移(约200)变到了96,核磁共振2D HMBC异核相关谱,充分证明了2-酮基-L-古龙酸发生的分子内环合成衍生物的主要产物是五元环的2,5位半缩醛衍生物,而非六元环的2,6位半缩醛衍生物.     

一种新的六氢喹啉衍生物的NMR研究

应用¹H NMR,¹³C NMR,DEPT,¹H-¹H COSY,HSQC,HMBC等多种NMR实验测试分析方法,确证了一种新的六氢喹啉衍生物2,7,7-三甲基-4-(4-羟基-3-甲氧基）苯基-5-氧代-1,4,5,6,7,8-六氢喹啉-3-羧酸甲酯的结构,并对它的¹H、¹³C信号进行了归属.     

一种双香豆蒽衍生物的NMR研究

应用核磁共振技术（¹H NMR, ¹3C NMR, DEPT, ¹H-¹H COSY, HSQC, HMBC）,确定了7-(4-溴苯甲基)-7H-吡喃[3,2-c:5,6-c′]二香豆蒽-6,8二酮的结构,排除了其他可能结构, 准确归属了它的¹H, ¹³C信号.      

聚丙烯腈七单元组空间立构性的高分辨13C NMR表征

通过调整溶液浓度和测试温度等测试参数,与文献[1]比较我们获得了无规聚丙烯腈(PAN)和部分全同PAN样品更高分辨率的¹³C核磁共振谱. 合理归属了次甲基碳的五单元组（mmmm、mmmr和rmmr）、腈基碳与次甲基碳的七单元组（mmmmmm、mmmmmr和rmmmmr）各特征峰. 无规PAN样品服从伯努利统计模型. 一级马尔科夫和二级马尔科夫统计模型分别被用于定量计算部分全同PAN样品的五单元组和七单元组的立构分布. 计算了不同立构规整度样品的“全同单元段”和“间同单元段”平均长度, 从另一方面证实了上述的七单元组归属的正确性.