基于胶原异三聚体的成骨不全症机理研究

胶原蛋白是细胞外基质的主要成分,由3条链缠绕构成三螺旋.在28种天然胶原中占比最大的是Ⅰ型胶原蛋白,它是由两条a1链与一条a2链构成的异三聚体,a1或a2链中甘氨酸单点突变会导致成骨不全症.基于更接近天然胶原的异三聚体模型(abc),3条链中分别引入Gly→Ala,构建7种突变体.差示扫描量热结果表明,单点突变体的熔融温度(Tm)值降低15℃,双点及三点突变体未形成三螺旋结构.利用梯阶模型分析分子动力学模拟轨迹,突变点附近梯阶参数值发生变化,表明三螺旋结构局部解折叠.引入弹性函数量化胶原结构变化程度,发现氢键能量与结构形变分数具有高关联性(R2=0.76),表明突变不仅破坏了氢键作用力,也导致了分子的弯曲与运动状态的变化.结合计算与实验,解析了甘氨酸突变对胶原整体结构与运动模式的影响,为进一步揭示甘氨酸突变的致病机理提供了理论基础.

胶原蛋白异源三聚体的理性设计

胶原蛋白是高等动物中最丰富的蛋白质,约占总蛋白质量的1/3.同时,胶原又是重要的生物医用材料,被广泛应用在伤口缝线、软骨缺损填充、骨骼金属植入物镀膜等.目前,在已知的人类28种胶原蛋白中,其中有1/4的胶原构型(7/28)是以异源三聚体的形式存在.由于缺乏对胶原蛋白链间特异性识别与折叠机制的了解,如何通过理性设计来制备清洁来源、纳米尺度可调控的胶原蛋白材料一直是蛋白质工程与生物材料工程交叉领域中的热点和难点问题.迄今为止,在胶原三螺旋中鉴定的最重要的成对相互作用是轴向电荷对,其可以在适当放置的赖氨酸与天冬氨酸或谷氨酸残基之间形成.这些成对氨基酸相互作用将允许制备具有高特异性的异源三聚体螺旋,以及对螺旋结构和稳定性的总体改进控制.此外,对这些相互作用的详细研究将帮助我们修改天然胶原蛋白序列,制造清洁来源、高度可控和成分响应的胶原蛋白生物材料.本综述将总结我们对这种相互作用和其他电荷对相互作用的理解,以及它们如何成功地用于控制胶原三螺旋自组装并探索新的蛋白质设计策略.