导读
嗜热Argonaute（Ago）蛋白以其高效的DNA剪切活性引起了广泛关注，其独特的动力学行为在基因编辑和分子诊断中具有重要意义。然而，这些高效活性的微观机制尚未完全揭示。上海交通大学洪亮课题组与冯雁课题组合作，利用分子动力学模拟和多种实验技术，首次揭示嗜热Ago蛋白在生理温度下采用部分熔融的动态松散结构，并将其与DNA剪切功能紧密关联。这一研究成果《Loosely-packed Dynamical Structures with Partially-melted Surface Being the Key for Thermophilic Argonaute Proteins Achieving High DNA-cleavage Activity》于2022年6月发表在权威期刊《Nucleic Acids Research》，得到了“交我算”高性能计算平台的有力支持，为研究蛋白质动力学及其功能关系提供了崭新视角。
嗜热Ago蛋白的结构与功能关系
嗜热Ago蛋白是一种小型可编程核酸内切酶，能够使用DNA或RNA作为介导核酸，实现高效靶向剪切，其优势在于分子量小、无需PAM识别区且识别精度高。这使其成为高通量基因编辑和分子筛查的重要工具。本研究结合SAXS、CD、DSF、nanoDSC和SDS-PAGE等实验技术以及分子动力学模拟，系统分析了6种嗜热Ago蛋白在不同温度下的结构与功能特性，发现了以下关键现象：
1. 热稳定性与低温活性：相较于常温Ago蛋白，嗜热Ago蛋白在整体结构和活性中心拥有更多的氢键和盐桥。这种稳定的结构赋予嗜热Ago蛋白更高的热稳定性，但同时限制了其在常温下的结构柔性，导致DNA剪切活性显著降低。
2. 生理温度下的动态松散结构：在生理温度下，嗜热Ago蛋白表现出与晶体结构显著不同的部分熔融状态。这种动态松散的表面结构介于晶体结构和完全解折叠结构之间，为嗜热Ago蛋白提供了极大的柔性，从而使其在高温环境中实现高效的DNA剪切功能。这种柔性与常温Ago蛋白的稳定晶体结构形成鲜明对比，进一步拓展了蛋白质结构—功能关系的传统认知。
3. 动态结构的设计启示：该研究还提出了设计高效嗜热蛋白的新思路：通过残基间强相互作用限制常温下的活动，同时允许在高温条件下释放足够的柔性，达到酶活性的最佳状态。这一机制对理解高活性嗜热蛋白的设计原则具有重要意义。
PfAgo, TtAgo 与 CbAgo 的结构与动态分析
AlphaFold2的局限与新启示
近年来，深度学习算法如AlphaFold2在蛋白质3D结构预测领域取得了突破性进展。然而，当前用于训练机器学习模型的蛋白质晶体结构数据多来源于常温或低温实验环境，与蛋白质在生理条件下的实际结构存在差异。本研究首次表明，嗜热Ago蛋白在生理温度下的部分熔融松散结构显著偏离低温晶体结构。这一发现强调，未来的AI模型需要将蛋白质在功能状态下的动力学特性纳入考虑，以进一步提高结构预测的准确性和实用性。
“交我算”平台的支持：从分子模拟到结构预测
本研究离不开“交我算”高性能计算平台的支持。平台强大的算力使研究团队能够运行长时间尺度的全原子分子动力学模拟，对嗜热Ago蛋白的动态行为进行精确建模。借助“交我算”提供的计算资源，研究团队高效解析了蛋白质自由能势能面，揭示了动态松散结构的微观机制。同时，平台支持的AlphaFold2预测能力帮助团队验证了低温晶体结构与实际功能结构之间的差异，进一步完善了研究结果。
论文致谢“交我算”平台
结语
本研究系统揭示了嗜热Ago蛋白的动态松散结构对其DNA剪切功能的关键作用，深化了对蛋白质动力学与功能关系的理解，并对设计高效嗜热蛋白提出了新的理论指导。研究还强调了在AI结构预测中纳入生理功能状态的重要性，为进一步优化深度学习模型提供了思路。
论文链接：https://doi.org/10.1093/nar/gkac565
来源：上海交通大学自然科学研究院、物理与天文学院