蛋白质的正确构象是行使其生物学功能的基础。在蛋白质结构研究中，X-射晶体线衍射技术以及二维核磁共振（NMR）技术已经可以非常准确地确定稳态蛋白质的结构。然而，蛋白质在行使其功能的过程中，结构通常处于变化之中，稳态结构无法反映其动态变化。因此，为了真正理解蛋白质的生物学功能，国际上发展了许多蛋白质动态结构的测量方法。中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）软物质物理实验室翁羽翔研究组，致力于脉冲升温纳秒时间分辨红外光谱技术的发展及其在蛋白质动态结构中的应用研究，取得了一系列进展（Biophys. J. 2007, 93, 2756-2766; Biophys. J. 2009, 97, 2756-2766）。最近,该研究组与北京大学生命科学学院昌增益研究组合作，应用脉冲升温-纳秒时间分辨中红外光谱方法观测到了大肠杆菌DegP热休克蛋白通过“蛋白质地震 (Protein quake) ”模式实现由六聚体到三聚体的解聚动力学过程，从“震中”的热诱发，到“震波”传递及至蛋白质整体的解离约134纳秒，如附图所示。该工作阐明了环境温度对激活DegP酶解活性的关键作用，并以物理所博士研究生李姗姗为第一作者发表在Scientific Reports [Sci. Rep. 4, 4834-4840 (2014)]上 。
　　大肠杆菌DegP是热休克蛋白家族的典型成员，具有蛋白酶和分子伴侣双重活性。在静息状态下，DegP以笼状的六聚体形式存在，阻止了底物分子接近位于三聚体内的活性点位，因而蛋白酶活性被完全抑制。以往的研究表明，在底物的诱导下,DegP六聚体能够重新组装成更大的十二聚体或二十四聚体，将包裹在中间的底物酶解，而且在一定温度范围内，温度越高，酶解活性也越大。一般认为，在重组装之前，DegP先经历了从六聚体解聚成三聚体的过程。因此，到底是温度还是底物激活了DegP六聚体的解聚过程仍然是一个尚在存争议的问题。 
　　该研究工作从热力学和动力学的双重角度，详细阐明了大肠杆菌热休克蛋白DegP六聚体解聚的动态过程。利用变温FTIR和脉冲升温时间分辨红外光谱技术研究了DegP六聚体界面上的不同二级结构组份的热稳定性和开折叠动力学过程，并通过DegP蛋白质突变体的对照研究，证实了红外光谱对关键二级结构的正确指认。结果表明，连接两个三聚体的体界面β折叠片层结构最不稳定，该结构对热脉冲的响应如同温度探针，并扮演“地震中心”的角色，继而驱动结合界面上其它二级结构连续的开折叠过程,最终导致DegP六聚体的解聚。该过程如同多米诺骨牌效应，局域构象的变化导致蛋白质整体结构的解离，也被称作“蛋白质地震”模式。该研究结果证实DegP六聚体在室温下（25℃）就可以发生解聚，表明温度不是DegP酶活性的触发因素。

图1 热诱导“蛋白质地震”导致DegP六聚体解聚的示意图。界面上的六个β1-LA-β2结构只画了一个（用绿色表示）。已开折叠的结构用红色表示。震中（图中红色圆形）位于界面折叠结构完全暴露于溶剂的部分。字母F代表张力作用。黑色箭头代表LA环的运动方向。

　　该项研究进展再次表明脉冲升温时间分辨红外光谱技术能够通过对蛋白质二级结构动态过程的研究，揭示复杂蛋白质分子的生物学功能。
　　该工作得到国家自然科学基金项目、科技部973项目的支持。

相关链接:
S. S Li, R. Wang, D. Y. Li, J. Ma, H. Li, X. C. He, Z. Y. Chang, and Y. X. Weng, "Thermal-triggerd Proteinquake Leads to Disassembly of DegP Hexamer as an Imperative Activation Step," Scientific Reports 4, 4834-4840 (2014).
http://www.nature.com/srep/2014/140429/srep04834/full/srep04834.html