2024年12月11日，中国科学技术大学生命科学与医学部黄成栋教授团队在《Nature Communications》期刊发表了题为《The Dynamic Triage Interplay of Hsp90 with its Chaperone Cycle and Client Binding》的研究论文。该研究通过运用液体核磁共振（NMR）技术，在原子级分辨率下首次详细解析了Hsp90分子伴侣在ATP循环过程中的多层面动态行为，阐明了其构象变化、客户蛋白结合及能量屏障调控之间的协同作用。这些发现不仅增进了对Hsp90功能机制的理解，也为基于此分子伴侣的抗癌药物研发提供了重要的理论支持。
热休克蛋白90（Hsp90），作为细胞内的一个关键分子伴侣，参与调控超过10%的人类蛋白质组，涵盖多种重要蛋白质如激酶、E3连接酶和转录因子等。它在细胞信号传导路径和蛋白质稳态维持中扮演着核心角色，因此成为癌症研究领域的一个重要靶点。然而，由于Hsp90动态机制的复杂性，对其具体作用机制的认识仍然有限。
图1：分子伴侣HtpG在其ATP水解循环中不同阶段的动态及构象变化
本项研究选择了大肠杆菌中的Hsp90同源物HtpG作为模型系统，并利用液体NMR技术，在原子分辨率水平上全面分析了HtpG溶液中的构象动力学。研究结果显示，HtpG在ATP结合后能够实现多种构象间的动态平衡，并经历从开放到闭合的构象转变；而ATP水解则促使HtpG进入更为稳定且紧凑的状态。此前的研究已经表明，在ATP驱动的循环过程中，HtpG表现出类似一个灵活精密的‘纳米机械夹钳’的行为，通过周期性的开合来执行其功能（NSMB, 2024）。本研究进一步深化了这一认识，揭示了HtpG在整个循环的不同阶段不仅存在明显的构象差异，而且每种构象都具有独特的动态特征，从而高效地介导底物蛋白的折叠与激活（图1）。
此外，研究还发现，当HtpG与底物蛋白结合时，会触发一种“全局动态联动”的机制，这种机制将局部相互作用的信号传播至整个分子的其他区域，降低了从一个构象转换到另一个功能性构象所需跨越的能量障碍。同时，这种联动效应改变了构象的热力学平衡，并延长了HtpG辅助底物蛋白折叠与激活的有效时间窗口（图2）。
图2：Hsp90的功能机制示意图
这项工作显著提升了我们对Hsp90分子伴侣动态功能机制的认知，并为针对该分子伴侣开发抗癌药物提供了理论基础。通过在原子分辨率上首次展示大型分子伴侣在不同时间尺度上的构象演变，该研究也证明了液体NMR技术在解析复杂动态分子机器方面的重要潜力。
本研究由中国科学技术大学博士研究生屈晓展为第一作者，黄成栋教授和许威亚副研究员为共同通讯作者。项目得到了国家自然科学基金委员会、科技部、无膜细胞器与细胞动力学教育部重点实验室、合肥综合性国家科学中心大健康研究院等机构的资助。核磁共振的部分实验在中科院合肥物质科学研究院强磁场中心完成。
