近日，beat365官方网站凝聚态物理與材料物理研究所/定量生物學中心歐陽颀課題組及其合作者在《自然-通訊》（Nature Communications）雜志上在線發表題為“由冷凍電鏡數據确定蛋白質單體間相互作用：晝夜節律時鐘蛋白複合體中最近鄰單體間相互作用的觀察”(Determining subunit-subunit interaction from statistics of cryo-EM images: observation of nearest-neighbor coupling in a circadian clock protein complex）的研究論文。該研究基于單顆粒冷凍電鏡技術解析了藍藻生物鐘蛋白KaiC關鍵突變體的高分辨結構，并利用統計物理模型揭示了KaiC六聚體的單體之間存在協同相互作用，為藍藻生物鐘實現穩定振蕩的分子機制提供了直接證據。

左圖為KaiC-AA與KaiC-EE的電子密度示意圖；中圖為A-loop的兩種構象；右圖為KaiC-AA與KaiC-EE六聚體的A-loop構象分布的實驗值和Ising模型的拟合值。

藍藻生物鐘的核心部分由KaiA，KaiB，KaiC三個蛋白質構成，在KaiA與KaiB的輔助下，KaiC的磷酸化程度可在體外能實現周期近24小時的振蕩。以往的結構研究解析了KaiC不同磷酸化狀态突變體的晶體結構，但在不同突變體的晶體結構之間并沒有觀測到與磷酸化狀态相關的結構差異。該研究利用冷凍電鏡對模拟完全去磷酸化的突變體KaiC-AA以及模拟完全磷酸化的突變體KaiC-EE進行結構解析，得到了兩種突變體的高分辨六聚體結構。研究基于高分辨結構，對KaiC單體的構象做進一步分類發現KaiC單體的A-loop片段存在2個主要構象：埋藏态和暴露态。在埋藏态中，KaiC的A-loop片段具有穩定的結構，而在暴露态中，A-loop片段無固定結構。基于單體的構象的統計數據，該研究建立了這兩中突變體的能量景觀，發現六聚體的構象分布可用統計物理中的Ising模型進行定量拟合。該結果說明KaiC六聚體的單體之間存在協同相互作用，且六聚體的構象分布受磷酸化狀态的調控。在一個動力學系統中，穩定的振蕩行為需要系統中存在非線性負反饋。該研究發現單體之間存在協同相互作用，為KaiC蛋白質構象與磷酸化狀态之間的非線性反饋提供了直接觀測證據。

該工作結合冷凍電鏡技術與統計物理的研究方法，對從冷凍電鏡數據中挖掘蛋白質的構象分布信息進行統計物理分析，提出了冷凍電鏡數據結合統計物理的研究方法解析蛋白質機器工作原理的新的思路。

美國芝加哥大學Michael Rust教授、美國IBM沃森研究中心的塗豫海教授和beat365官方网站凝聚态物理與材料物理研究所/定量生物學中心歐陽颀教授為共同通訊作者。beat365官方网站2017級博士研究生韓旭為該論文的第一作者。該工作得到國家自然科學基金委等機構的資助。

原文鍊接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-41575-1