蛋白质表面在蛋白质与其他生物分子间的相互作用中扮演着关键角色。然而，蛋白质表面的结构动态变化鲜有研究，对其理解也十分有限。中国科学院物理研究所陆颖课题组与南京大学李文飞课题组合作，用20个碱基的寡核苷酸作为探针，通过单分子力谱、二维红外光谱、结合分子动力学模拟，研究了生理浓度下钠离子诱导的单链结合蛋白（SSB）表面的氢键和/或盐桥网络的协同重组，并引发蛋白质表面二态结构转变。SSB是一类重要的蛋白质，它们通过与单链DNA结合来保护单链DNA免受核酸酶降解，并防止单链DNA形成二级结构。本研究聚焦于E. coli SSB四聚体，在不同NaCl浓度（1 – 200 mM）下可结合35、56或64个碱基。近日，Advanced Science杂志发表了题为“Sodium Ion-Induced Structural Transition on the Surface of a DNA-Interacting Protein”为题的文章。研究团队首先用磁镊技术研究了20 nt的寡核苷酸与SSB的结合/解离的动态过程（图1），发现在依赖于浓度的临界力（Fc）下，结合与解离达到动态平衡，可推算出非受力状态下的结合能。随着盐浓度的连续变化，Fc和结合能皆发生非连续变化，并在特定盐浓度下两个Fc值和两个结合能共存。图1 单分子磁镊测量SSB与ssDNA的结合/解离现象。（A）磁镊实验示意图及结合/解离典型曲线；（B）在中间盐浓度时，在两个拉力下都存在结合/解离平衡；（C）临界力随Na+浓度的变化；（D）在外力为0时的结合自由能随Na+浓度的变化。
团队进一步运用二维红外光谱分析和分子动力学模拟揭示了SSB表面在不同NaCl浓度下的结构。随着Na+浓度的增加，SSB本身的主链结构维持不变，而蛋白质表面的氨基酸侧链的排布随着盐浓度而改变。分子动力学模拟揭示SSB表面螯合了Na+后，表面的氢键网络发生重排，从“Na+-unbridged” 态向 “Na+-bridged”态转变，SSB表面静电势景观的拓扑结构发生转变（图2），从而使得单链DNA在SSB表面的缠绕轨迹发生改变。图2 分子动力学模拟。(A) SSB四聚体结构。放大窗口显示在低(0 M, 左)和高(0.5 M, 右) NaCl 浓度下的表面残基氢键网络的局域分布；(B) 二维自由能分布图显示在低（0.01 M，左）和高（0.3 M，右）NaCl浓度下投影在X-Y平面上的寡核苷酸的结合态势。
研究结果表明钠离子通过与蛋白质表面的带电氨基酸螯合，改变了蛋白质表面的氢键网络，从而改变蛋白质表面的静电势景观和蛋白质-DNA相互作用模式。这种蛋白质表面的结构动态变化对于理解SSB如何与单链DNA相互作用至关重要，对认识蛋白质-配体相互作用的调控机制也具有重要意义，或可为未来相关药物设计和生物技术应用提供新的思路。中国科学院物理研究所陆颖研究员、李明研究员、李运良副研究员和南京大学李文飞教授为本文的共同通讯作者，物理所徐春华副研究员、博士生陆越、苑帅康和南京大学博士生吴逸超为共同第一作者。原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202401838制版人：十一
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