大分子拥挤无法折叠细胞中的球状蛋白质,Journal of the American Chemical Society

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大分子拥挤无法折叠细胞中的球状蛋白质
Journal of the American Chemical Society ( IF 14.4 ) Pub Date : 2011-06-01 , DOI: 10.1021/ja201206t
Alexander P Schlesinger ₁ , Yaqiang Wang , Xavier Tadeo , Oscar Millet , Gary J Pielak

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蛋白质在细胞中发挥其功能，其中大分子溶质的浓度达到 > 300 g/L 并占据 > 30% 的体积。这些大分子排除的体积使球状蛋白质稳定，因为天然状态比变性状态占据的空间更小。理论预测，拥挤可以将折叠蛋白质与未折叠蛋白质的比率增加 100 倍，在室温下达到 3 kcal/mol 的稳定性。我们使用蛋白质 L 的变体（一种 7 kDa 球状蛋白质，其中七个赖氨酸残基被谷氨酸取代）测试了体积排除在细胞中占主导地位的想法；在室温下，84% 的变异分子在稀释的缓冲液中处于变性状态，而野生型蛋白质的这一比例为 0.1%。然后，我们使用细胞内 NMR 光谱表明，大肠杆菌的细胞质甚至无法克服这种适度的（~1 kcal/mol）自由能不足。数据与细胞质成分之间的非特异性相互作用可以克服排除体积效应的想法一致。观察结果提供了这些相互作用的证据，即添加简单盐会使稀释溶液中的变体折叠，但增加大肠杆菌内的盐浓度不会折叠蛋白质。我们的数据与细胞中蛋白质稳定性的其他研究结果一致，并表明在拥挤条件下必须存在的稳定排除体积效应可以通过细胞质成分之间的非特异性相互作用得到改善。数据与细胞质成分之间的非特异性相互作用可以克服排除体积效应的想法一致。观察结果提供了这些相互作用的证据，即添加简单盐会使稀释溶液中的变体折叠，但增加大肠杆菌内的盐浓度不会折叠蛋白质。我们的数据与细胞中蛋白质稳定性的其他研究结果一致，并表明在拥挤条件下必须存在的稳定排除体积效应可以通过细胞质成分之间的非特异性相互作用得到改善。数据与细胞质成分之间的非特异性相互作用可以克服排除体积效应的想法一致。观察结果提供了这些相互作用的证据，即添加简单盐会使稀释溶液中的变体折叠，但增加大肠杆菌内的盐浓度不会折叠蛋白质。我们的数据与细胞中蛋白质稳定性的其他研究结果一致，并表明在拥挤条件下必须存在的稳定排除体积效应可以通过细胞质成分之间的非特异性相互作用得到改善。观察结果提供了这些相互作用的证据，即添加简单盐会使稀释溶液中的变体折叠，但增加大肠杆菌内的盐浓度不会折叠蛋白质。我们的数据与细胞中蛋白质稳定性的其他研究结果一致，并表明在拥挤条件下必须存在的稳定排除体积效应可以通过细胞质成分之间的非特异性相互作用得到改善。观察结果提供了这些相互作用的证据，即添加简单盐会使稀释溶液中的变体折叠，但增加大肠杆菌内的盐浓度不会折叠蛋白质。我们的数据与细胞中蛋白质稳定性的其他研究结果一致，并表明在拥挤条件下必须存在的稳定排除体积效应可以通过细胞质成分之间的非特异性相互作用得到改善。

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Macromolecular Crowding Fails To Fold a Globular Protein in Cells

Proteins perform their functions in cells where macromolecular solutes reach concentrations of >300 g/L and occupy >30% of the volume. The volume excluded by these macromolecules stabilizes globular proteins because the native state occupies less space than the denatured state. Theory predicts that crowding can increase the ratio of folded to unfolded protein by a factor of 100, amounting to 3 kcal/mol of stabilization at room temperature. We tested the idea that volume exclusion dominates the crowding effect in cells using a variant of protein L, a 7 kDa globular protein with seven lysine residues replaced by glutamic acids; 84% of the variant molecules populate the denatured state in dilute buffer at room temperature, compared with 0.1% for the wild-type protein. We then used in-cell NMR spectroscopy to show that the cytoplasm of Escherichia coli does not overcome even this modest (∼1 kcal/mol) free-energy deficit. The data are consistent with the idea that nonspecific interactions between cytoplasmic components can overcome the excluded-volume effect. Evidence for these interactions is provided by the observations that adding simple salts folds the variant in dilute solution but increasing the salt concentration inside E. coli does not fold the protein. Our data are consistent with the results of other studies of protein stability in cells and suggest that stabilizing excluded-volume effects, which must be present under crowded conditions, can be ameliorated by nonspecific interactions between cytoplasmic components.

更新日期：2011-06-01

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