2020年8月5日，中國醫學科科學院基礎醫學研究所王晨軒團隊在Science Advances發表了“Molecular recognition of human islet amyloid polypeptide assembly by selective oligomerization of thioflavin T”的論文。該研究在單分子水平揭示了藥物分子硫黃素T以寡聚態與靶點胰淀素蛋白結合，并從能量角度闡明分子識別過程中硫黃素T分子選擇性寡聚化的微觀機制。
選擇性寡聚化是自然界中廣泛分布的進化規律之一。在亞分子水平，兩條、三條或四條α-螺旋鏈受分子間相互作用的精細調控，平行或反平行排列形成的螺旋卷曲，構成了蛋白質結構的基礎單元；在分子團簇水平，多種蛋白質受相互作用界面、結構對稱性等因素影響，聚集成同型或異型寡聚化復合物進而發揮生物學功能，例如活細胞中大多數可溶性蛋白和膜蛋白都是具有兩個或多個蛋白亞基的寡聚復合物。寡聚化提高了蛋白質的穩定性，增加了局部蛋白質濃度，賦予組裝體變構協同性，并在分子識別過程中提供了高特異性。受自然界蛋白質寡聚現象啟發，研究團隊試圖將選擇性寡聚效應應用于藥物分子的結構設計與優化中，理解藥物的寡聚化機理并操縱寡聚結構，以藥物團簇作為不可分割的單元靶向受體蛋白并發揮作用。
為揭示藥物分子的寡聚化及分子識別機制，王晨軒團隊以β-淀粉樣蛋白特異性標記分子硫黃素T（ThT）作為研究對象，利用具有超高實空間分辨能力的掃描隧道顯微技術（STM）在單分子水平研究ThT在其受體人胰島淀粉樣蛋白關鍵8-37片段（hIAPP8-37）上的吸附結構。研究團隊發現ThT在受體蛋白表面上的結合結構以四種寡聚態存在：二聚體（頭/尾相接“2×1”）、二聚體（肩并肩相接“1×2”）、四聚體（“2×2”方式）、六聚體（“2×3”方式）。寡聚態具有奇偶數選擇性，即僅發現二、四、六偶數寡聚狀態。四種寡聚態在自由能上表現出非簡并性，其中“2×2”四聚體的布居分布概率最高，即能量最優。吸附的藥物分子寡聚態由（1）藥物分子之間的內聚功與（2）藥物-蛋白間的黏附能共同決定。依據概率分布與相對能量差理論可計算出兩個頭/尾相接的ThT分子間內聚功為6.4 kBT，強于兩個肩并肩相連ThT的分子間內聚功（4.2 kBT）。而ThT與受體蛋白之間的黏附能依賴于結合位點的微環境。該工作將STM單分子成像與界面物理化學理論相結合，為研發選擇性寡聚化藥物分子奠定了理論基礎。
本研究工作得到中國醫學科學院醫學與健康科技創新工程（2018-I2M-3-006）、國家自然科學基金(31901007)、醫學分子生物學國家重點實驗室自主研究課題（2060204）、中央高校基本科研專項資金（2018PT31028）等項目的資助。基礎醫學研究所王晨軒博士和國家納米科學中心方巧君博士為論文共同通訊作者，基礎醫學研究所于蘭蘭博士為論文的第一作者。
論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/6/32/eabc1449
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