Unraveling the Mechanics of a Repeat-Protein Nanospring: From Folding of Individual Repeats to Fluctuations of the Superhelix.
Unraveling the Mechanics of a Repeat-Protein Nanospring: From Folding of Individual Repeats to Fluctuations of the Superhelix.
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DOI：
10.1021/acsnano.1c09162
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发表时间：
2022-03-22
期刊：
影响因子：
17.1
通讯作者：
Stigler J
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Synakewicz M;Eapen RS;Perez-Riba A;Rowling PJE;Bauer D;Weißl A;Fischer G;Hyvönen M;Rief M;Itzhaki LS;Stigler J
串联重复蛋白包含小的二级结构基序，这些基序堆叠形成具有独特机械特性的一维阵列，这些特性被认为可以指导其细胞功能。在这里，我们使用单分子光镊来研究共识设计的四三肽重复序列（CTPR）的折叠，即短螺旋-转角-螺旋基序的超螺旋阵列。我们发现 CTPR 显示出类似弹簧的机械响应，其中各个重复序列在部分折叠和展开构象之间经历快速平衡波动。我们使用伊辛模型合理化力响应，并剖析机械负载下 CTPR 的折叠路径，揭示重复阵列如何同时从中心向两个末端形成。最引人注目的是，我们还在力信号中直接观察到蛋白质的超螺旋三级结构。利用蛋白质工程、晶体学和单分子实验，我们证明超螺旋几何形状可以通过仔细放置的氨基酸取代来改变，并且我们研究了这些序列变化如何影响内在重复稳定性和重复间耦合。我们的研究结果提供了剖析和调节重复蛋白稳定性和动力学的方法，这对于研究人员了解天然重复蛋白的功能以及在纳米技术和生物医学应用中利用人工重复蛋白至关重要。
Tandem-repeat proteins comprise small secondary structure motifs that stack to form one-dimensional arrays with distinctive mechanical properties that are proposed to direct their cellular functions. Here, we use single-molecule optical tweezers to study the folding of consensus-designed tetratricopeptide repeats (CTPRs), superhelical arrays of short helix-turn-helix motifs. We find that CTPRs display a spring-like mechanical response in which individual repeats undergo rapid equilibrium fluctuations between partially folded and unfolded conformations. We rationalize the force response using Ising models and dissect the folding pathway of CTPRs under mechanical load, revealing how the repeat arrays form from the center toward both termini simultaneously. Most strikingly, we also directly observe the protein’s superhelical tertiary structure in the force signal. Using protein engineering, crystallography, and single-molecule experiments, we show that the superhelical geometry can be altered by carefully placed amino acid substitutions, and we examine how these sequence changes affect intrinsic repeat stability and inter-repeat coupling. Our findings provide the means to dissect and modulate repeat-protein stability and dynamics, which will be essential for researchers to understand the function of natural repeat proteins and to exploit artificial repeats proteins in nanotechnology and biomedical applications.
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