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

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作者:Seandean Lykke Harwood, Jeppe Lyngsø, Alessandra Zarantonello, Katarzyna Kjøge, Peter Kresten Nielsen, Gregers Rom Andersen, Jan Skov Pedersen, Jan J Enghild

Abstract

Human α2-macroglobulin (A2M) is the most characterized protease inhibitor in the alpha-macroglobulin (αM) superfamily, but the structure of its native conformation has not been determined. Here, we combined negative stain electron microscopy (EM), small-angle X-ray scattering (SAXS), and cross-linking-mass spectrometry (XL-MS) to investigate native A2M and its collapsed conformations that are obtained through aminolysis of its thiol ester by methylamine or cleavage of its bait region by trypsin. The combined interpretation of these data resulted in a model of the native A2M tetramer and its conformational changes. Native A2M consists of two crescent-shaped disulfide-bridged subunit dimers, which face toward each other and surround a central hollow space. In native A2M, interactions across the disulfide-bridged dimers are minimal, with a single major interface between the linker (LNK) regions of oppositely positioned subunits. Bait region cleavage induces both intrasubunit domain repositioning and an altered configuration of the disulfide-bridged dimer. These changes collapse the tetramer into a more compact conformation, which encloses an interior protease-trapping cavity. A recombinant A2M with a modified bait region was used to map the bait region's position in native A2M by XL-MS. A second recombinant A2M introduced an intersubunit disulfide into the LNK region, demonstrating the predicted interactions between these regions in native A2M. Altogether, our native A2M model provides a structural foundation for understanding A2M's protease-trapping mechanism, its conformation-dependent receptor interactions, and the dissociation of native A2M into dimers due to inflammatory oxidative stress.

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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