近日，《JACS Au》发表了我院生物物理团队余昊课题组和中科院精密测量院段谟杰课题组在单分子力谱研究膜蛋白折叠稳定性方面的重要研究成果（JACS Au, 2024, 4: 1422），论文标题为“Mechanistic Insight into the Mechanical Unfolding of the Integral Membrane Diacylglycerol Kinase”。我院博士生杨会莹为论文第一作者，博士生周代红和周章怡也参与了相关工作，余昊教授和段谟杰副研究员为共同通讯作者。

膜蛋白在细胞表面作为细胞内外的通讯界面，执行重要的生理功能。膜蛋白由于处于磷脂双层膜这样一个异质且动态的环境中而具有独特的结构和能量性质。膜蛋白的折叠决定了他们的功能，由于基因突变或其他因素可能导致膜蛋白的错误折叠，这也和很多疾病相关。膜蛋白的折叠和组装是一个在正确折叠和错误折叠之间精细而微妙的能量平衡过程。因此，准确而定量的理解在磷脂双层膜这样的复杂环境中膜蛋白如何完成正确折叠并维持稳定性的分子机制尤为重要。

原子力显微镜是开创蛋白质折叠的单分子力学研究的重要方法之一，也为膜蛋白在更接近生理环境下的研究开创了新的方向。不同于一般结构学方法只能提供非生理环境下的静态结构，原子力显微镜能够实时表征单个分子在天然磷脂双层膜中的结构转变动力学过程。原子力显微镜的微探针可以对处于生理环境下的膜蛋白施加外力使之去折叠，对去折叠路径的定量分析是进一步研究膜蛋白相关折叠性质、配体结合过程、功能状态间的变构机制等问题的基础。但是，基于原子力显微镜的单分子力谱，在从一维分子长度的测量到三维结构的定位过程存在局限，极大限制了结构分配的精度和对相关生理过程的分子机制的理解。

图1单分子实验和分子动力学模拟实现对膜蛋白去折叠路径的精确结构分配。

针对上述问题，研究团队发展了力谱高精度结构定位方法并解析了稳定膜蛋白的关键相互作用。工作以甘油二脂激酶为模型，整合单分子力谱、多尺度模拟等方法，分别基于单分子力谱实验和分子动力学模拟对甘油二脂激酶的去折叠路径进行表征。实验和模拟之间的良好一致性，为去折叠中间态的精确结构分配奠定了基础，也为分析稳定膜蛋白的关键相互作用提供了途径。研究发现，由分子间的范德华相互作用建立的非极性侧链堆积，是该蛋白具有较高的力学和热力学稳定性的主要贡献。通过在单个氨基酸水平对这些关键相互作用进行识别，研究阐明了膜蛋白去折叠中间态的力学稳定性和膜蛋白多聚体组装的热稳定性之间的关系。

图2决定膜蛋白稳定性的关键相互作用分析。

这项工作中建立的精确结构分配方法和基于力谱的相互作用分析，可能重新定义对现有膜蛋白力谱实验结果的理解，并极大拓展单分子力谱获取信息的深度和准确度。在磷脂双层膜这样的疏水环境中，膜蛋白的高稳定性在很大程度上决定于跨膜螺旋界面上关键残基之间的弱范德华相互作用。这些发现不仅有助于理解维持膜蛋白稳定性的一般机制，也可能为疾病相关膜蛋白错误折叠的成因带来新的见解。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacsau.3c00829