Theory and practice of using solvent paramagnetic relaxation enhancement to characterize protein conformational dynamics.
Theory and practice of using solvent paramagnetic relaxation enhancement to characterize protein conformational dynamics.
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利用溶剂顺磁弛豫增强表征蛋白质构象动力学的理论与实践
DOI：
10.1016/j.ymeth.2018.04.006
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发表时间：
2018-09-15
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Tang C
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Gong Z;Schwieters CD;Tang C
顺磁弛豫增强（PRE）已被确立为核磁共振研究蛋白质结构和动力学的有力工具。PRE通常用共价连接在反磁性蛋白质的特定位点的顺磁性探针测量。目前的工作提供了探测蛋白质结构和构象动力学的基础上的溶剂PRE（sPRE）测量的数值公式，使用两种替代方法。惰性顺磁性共溶质随机碰撞的蛋白质，和所得的sPRE表明蛋白质核的相对溶剂暴露。为了使反算的sPRE值与观察值最一致，蛋白质结构针对sPRE进行细化，或者使用Monte Carlo算法从预生成的文库中选择构象异构体的集合。系综结构由N个占据率相等的构象异构体或两个相对种群不同的构象异构体组成。我们证明了sPRE方法使用GB 1，结构刚性蛋白质，和钙调蛋白，蛋白质包括两个结构域和存在于开放和封闭状态。sPRE可以用一个独立的程序进行快速评估，或者调用最新版本的结构计算软件Xplor-NIH中的一个模块进行计算。作为一种无标记方法，sPRE测量可以很容易地与其他生物物理技术集成。本文还讨论了目前sPRE方法在精确测量和理论计算、模型选择和时间尺度等方面的局限性。
Paramagnetic relaxation enhancement (PRE) has been established as a powerful tool in NMR for investigating protein structure and dynamics. The PRE is usually measured with a paramagnetic probe covalently attached at a specific site of an otherwise diamagnetic protein. The present work provides the numerical formulation for probing protein structure and conformational dynamics based on the solvent PRE (sPRE) measurement, using two alternative approaches. An inert paramagnetic cosolute randomly collides with the protein, and the resulting sPRE manifests the relative solvent exposure of protein nuclei. To make the back-calculated sPRE values most consistent with the observed values, the protein structure is either refined against the sPRE, or an ensemble of conformers is selected from a pre-generated library using a Monte Carlo algorithm. The ensemble structure comprises either N conformers of equal occupancy, or two conformers with different relative populations. We demonstrate the sPRE method using GB1, a structurally rigid protein, and calmodulin, a protein comprising two domains and existing in open and closed states. The sPRE can be computed with a stand-alone program for rapid evaluation, or with the invocation of a module in the latest release of the structure calculation software Xplor-NIH. As a label-free method, the sPRE measurement can be readily integrated with other biophysical techniques. The current limitations of the sPRE method are also discussed, regarding accurate measurement and theoretical calculation, model selection and suitable timescale.
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