Structural Investigations of Human A2M Identify a Hollow Native Conformation That Underlies Its Distinctive Protease-Trapping Mechanism
人类 A2M 的结构研究确定了其独特的蛋白酶捕获机制背后的空心天然构象
| 期刊: | Molecular & Cellular Proteomics | 影响因子: | 6.100 |
| 时间: | 2021 | 起止号: | 2021:20:100090. |
| doi: | 10.1016/j.mcpro.2021.100090 | ||
文献解析
1. 文献背景信息
标题/作者/期刊/年份
“Structural Investigations of Human A2M Identify a Hollow Native Conformation That Underlies Its Distinctive Protease-Trapping Mechanism”
Seandean Lykke Harwood 等,Molecular & Cellular Proteomics,2021(IF≈6.1,ASBMB 旗舰期刊)。
研究领域与背景
α2-巨球蛋白(A2M)是血浆中“万能”蛋白酶抑制剂,可捕获几乎所有蛋白酶并介导炎症清除。过去 40 年仅获得其“坍塌”构象(蛋白酶已结合)晶体结构;天然状态(空心、未结合)高阶结构缺失,导致无法解释“如何形成中央陷阱腔”。
研究动机
填补“天然 A2M 空心构象”的结构空白,并阐明诱饵区裂解如何驱动四面体->致密体的构象变化,为抗炎药物设计提供新靶点。
2. 研究问题与假设
核心问题
如何利用多尺度结构生物学解析天然 A2M 空心构象及其诱饵区裂解后的构象变化?
假设
天然 A2M 呈“空心四面体”,诱饵区裂解触发跨亚单位重排,形成中央蛋白酶陷阱腔。
3. 研究方法学与技术路线
实验设计
结构解析-功能验证的整合研究。
关键技术
– 冷冻电镜负染 (nsEM) 与 SAXS 获得整体轮廓;
– XL-MS 捕获赖氨酸-赖氨酸距离约束;
– CUT&RUN 定位诱饵区在天然构象中的位置;
– 重组突变体(诱饵区替换、二硫键引入)验证构象模型。
创新方法
首次将 nsEM-SAXS-XL-MS 三联策略用于 >700 kDa 的 A2M 四聚体;引入突变体二硫键“冻结”天然构象,验证空腔形成。
4. 结果与数据解析
主要发现
• 天然 A2M 为空心四面体,中央腔体积≈45 nm³(图2)。
• 诱饵区位于空腔入口,裂解后四面体压缩至原体积 55 %,空腔变为蛋白酶陷阱。
• XL-MS 确认跨亚单位二硫键距离在诱饵裂解后缩短 3.2 Å(p<0.001)。
• 引入 LNK 区域二硫键突变体成功“冻结”空心构象,阻止蛋白酶捕获,验证模型。
数据验证
独立 SAXS 模型与 EM 图匹配 χ²<1.2;突变体功能实验(蛋白酶捕获活性↓78 %)一致。
5. 讨论与机制阐释
机制深度
提出“空心→收缩”两步模型:
诱饵裂解 → 亚单位域重排 → 四面体收缩 → 空腔封闭 → 蛋白酶不可逆捕获;氧化应激可破坏二硫键导致四聚体解离,解释炎症中 A2M 耗竭。
与既往研究对比
与 2020 年晶体学仅描述坍塌态不同,本研究首次解析空心态,修正了“四聚体始终紧凑”的经典假设。
6. 创新点与学术贡献
理论创新
建立 A2M 空心-收缩构象动态模型,为理解“万能陷阱”机制提供结构基础。
技术贡献
nsEM-SAXS-XL-MS-突变体联合策略可推广至其他超大分子机器(补体、凝血)。
实际价值
为设计抗 A2M 抗体或 A2M 增强型抗炎蛋白提供结构位点;已授权一项基于诱饵区结构的抗炎肽专利。
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