《International Journal of Molecular Sciences》：Proteins Inside the HSP60/HSP10 Fold Under a Constant Electric Field: Potential Implications for the Protein Folding Problem
Lucía J. Pe?a-Ortiz,
Julio Manuel Hernández-Pérez,
Bertha Alicia León-Chávez,
Jose R. Eguibar,
Juan Manuel Solano-Altamirano and
Viridiana Vargas-Castro
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本研究针对蛋白质折叠难题，特别是需要分子伴侣辅助的蛋白质折叠机制尚不明确的问题，研究人员通过分子动力学模拟深入探究了HSP60/HSP10分子伴侣复合物内腔的物理环境。他们发现腔内存在一种时空结构稳定、可近似为恒定、单向的长程静电势，其产生的电场可诱导被加热蛋白（硫氰酸生成酶，Rhodanese）发生显著结构形变甚至去折叠。该结果为理解分子伴侣如何通过内环境（如电场）引导蛋白质折叠，以及从“折叠子”（foldon）视角解释蛋白质折叠问题提供了重要的物理化学见解。
蛋白质，这些由氨基酸链盘绕折叠而成的精密机器，是生命活动的核心执行者。它们必须形成特定的三维结构才能发挥功能，这个过程被称为蛋白质折叠。然而，蛋白质折叠的世界充满了谜团。尽管安芬森（Anfinsen）在几十年前就提出了著名的“热力学假说”，认为蛋白质的天然结构是其自由能景观（Gibbs energy landscape, GEL）的全局最小值，但现实远比理论复杂。特别是对于许多大型或复杂的蛋白质，它们无法独自完成折叠，需要另一类被称为“分子伴侣”（chaperones）的蛋白质“助手”来帮忙。这些分子伴侣如何协助蛋白质折叠，其具体机制仍是未解之谜，这也构成了“蛋白质折叠问题”（Protein Folding Problem, PFP）的核心挑战之一。
在众多分子伴侣中，HSP60/HSP10家族（属于一类称为“伴侣蛋白”chaperonins的复合物）尤为重要，它像一个内部带负电荷的桶状结构，为底物蛋白提供折叠环境。虽然已知其带负电的内壁可以通过排斥作用加速折叠，并降低熵垒，但其加速折叠的确切物理机制仍未被阐明。这就像我们知道一个神奇的“折叠加速器”存在，却不知道它内部运作的物理原理。此外，著名的“莱文萨尔悖论”（Levinthal’s paradox）指出，如果蛋白质随机探索其所有可能的构象，所需时间将超过宇宙年龄，这对于需要辅助的大型蛋白尤其难以解释。近年来，有观点认为蛋白质由称为“折叠子”（foldon）的模块化单元构成，这些单元可作为整体进行折叠/去折叠，但驱动整个折叠子单元协同运动的力从何而来？显然，微小的原子间作用力不足以完成这种介观尺度的运动，需要来自集体的、更大尺度的力。
为了解决上述问题，研究人员将目光投向了分子伴侣HSP60/HSP10的内部。他们思考，是否在分子伴侣的内腔中，存在某种稳定的物理场，能够对进入其中的、处于预折叠状态的蛋白质施加定向的、宏观的影响，从而引导其高效、快速地完成最后的折叠步骤？为了探究这个可能性，研究人员开展了一项基于分子动力学模拟的研究。
为了开展这项研究，研究人员主要运用了以下几个关键技术方法：
- 1.
分子动力学模拟：对代表HSP60/HSP10家族的人线粒体分子伴侣进行了长时间的模拟，以获取其内部物理环境的动态数据。
- 2.
长程静电势计算与时间平均：基于Ewald粒子网格分解法，从模拟数据中计算整个分子伴侣内部的长程静电势，并将其随时间进行平均，得到时均静电势〈φlr(r)〉。
- 3.
数据空间滤波与建模：在分子伴侣上腔内确定一个不接触腔内原子的椭球区域，提取其内部的时均静电势数据点（控制点），滤除高波动值。随后使用最小二乘法，将这些控制点拟合成空间坐标（x, y, z）的多项式函数。通过一阶和二阶多项式两种近似，得到了腔内静电势的数学表达式。
- 4.
电场计算与验证：对拟合得到的静电势函数取负梯度，计算出对应的长程电场E(r)。作为一个概念验证，研究人员将得到的最简形式（近似为恒定的）电场，外推并作为一个外部电场，施加到一个被加热的模型蛋白（硫氰酸生成酶，Rhodanese）的分子动力学模拟中，观察电场对蛋白质结构的影响。
研究结果
2.4. 结果：腔内存在近似恒定的长程电场
通过对拟合数据的分析，研究人员得出了关键发现。当时均静电势〈φlr(r)〉用一阶多项式（即线性函数）近似时，得到的电场是一个常量。具体表达式为：E/(V·??1) ≈ ?0.0054? + 0.010? ? 0.162k?，其中分子伴侣的主轴沿k?方向。这表明，在研究的椭球区域（覆盖了上腔内大部分体积）内，长程电场在初步近似下可以被建模为恒定且单向的。即使在使用二阶多项式进行更精细的拟合时，电场在z方向（k?方向）的分量Ez仍然是最大的分量。因此，其最简形式可进一步近似为沿分子伴侣主轴方向的一个恒定电场。
2.4.3. 结果：恒定电场可导致模型蛋白去折叠
作为概念验证，研究人员测试了上述最简形式的恒定电场对加热状态下的硫氰酸生成酶（Rhodanese）的影响。他们将这个近似电场单独（不考虑分子伴侣的约束和带电内壁的其他效应）外推并应用到包裹整个Rhodanese蛋白的更大空间中进行模拟。结果发现，这个长程近似电场E(r)在作为外部电场施加时，实际上能够引起Rhodanese蛋白结构的巨大形变，导致其去折叠。这证明，从分子伴侣内腔环境中提取出的这种电场，本身就具备对蛋白质构象产生显著影响的物理潜力。
结论与讨论
本研究的核心结论是，通过分子动力学模拟，在HSP60/HSP10分子伴侣的上腔内腔（一个椭球体区域）中发现了一个时空结构稳定的长程静电势模式。该静电势产生的电场，在一阶近似下是恒定且单向的，主要沿分子伴侣的主轴方向。重要的是，这个被提取并近似后的电场，在独立作用于一个加热蛋白时，能够诱导其发生显著的结构形变甚至去折叠。
这一发现具有多方面的重要意义。首先，它为解决蛋白质折叠问题，特别是分子伴侣辅助折叠的机制提供了新的物理视角。该电场的存在和效应与多种理论和实验观察相一致，尤其是与“折叠子”观点。如果蛋白质确实由折叠子单元构成，那么分子伴侣内腔中存在的这种恒定或缓变的电场，可以作为一种“宏观”作用力，驱动整个折叠子单元发生定向的移动或旋转，从而协助蛋白质快速寻找到正确的折叠路径，避免了在浩瀚的自由能景观中进行随机搜索，这为解释Levinthal悖论提供了新的思路。其次，这项研究揭示了分子伴侣的作用可能不仅仅是提供一个被动的、隔离的“折叠室”，其内部固有的、由集体电荷分布形成的物理场（如电场）可能主动参与并引导了折叠过程。这加深了我们对蛋白质折叠这一基本生命过程物理化学基础的理解。最后，该研究展示了计算模拟在揭示生物大分子复合物内部精细物理环境方面的强大能力，为未来研究其他分子伴侣或生物纳米机器的功能机制提供了方法学参考。
这项研究以“Proteins Inside the HSP60/HSP10 Fold Under a Constant Electric Field: Potential Implications for the Protein Folding Problem”为题，发表在《International Journal of Molecular Sciences》上，为探索蛋白质折叠的物理奥秘打开了又一扇窗口。
