固有无序蛋白（IDP）占所有蛋白约30%的比重，由于其灵活易变，可结合多种底物，因而在细胞信号转导、相分离等诸多生理过程中发挥着核心作用。然而正是由于IDP缺乏稳定的三维结构，无法采用经典的结构生物学手段，例如X射线晶体衍射，冷冻电镜等加以解析。在cAMP信号通路，固有无序蛋白PKI结合激酶PKA，抑制其结合底物和催化磷酸化；同时PKI可以结合CRM1/RanGTP转运蛋白，进一步调控PKA在胞浆和细胞核中的分布。然而，PKI实现这些调控功能的原子层面的结构机制尚不明了。

图1. (A)固有无序蛋白PKI调控PKA的活性和空间分布。（B）PKI的氨基酸序列

该项研究中，研究人员首先采用生物大分子核磁共振技术（NMR）和小角X射线衍射（SAXS）表征了PKI在游离状态及与PKA结合状态下， HAR，PSS，NES 等关键模体（motif）二级结构的动态转换，发现PKI通过PSS识别结合PKA后，诱导HAR和NES模体形成稳定的螺旋构象。然后通过荧光共振能量转移（FRET）实验和数值模拟构建了PKI与PKA结合的动力学模型。

图2. PKI 与PKA结合的动力学模型

研究人员进一步采用多种计算手段，将实验获得的结构信息与赝势动力学（Metadynamics）结合，刻画了PKI在游离及结合状态下的全原子结构系综，并通过马尔科夫模型（Markov State Model），定量表征了重点中间态二级结构相互转换的热力学和动力学细节，阐明了PKI调控过程的物理化学原理。

图3. PKI在（A）游离状态和（B）与PKA结合状态下动态结构的比例分布和相互转换速率

这项工作集中展现了实验与计算交叉融合的整合结构生物学（Integrative Structural Biology）的最新进展，并为后续PKA/PKI/CRM1/RanGTP蛋白质复合体的调控机制研究奠定了基础。该研究由高加力教授、美国科学院院士Susan S. Taylor教授、及美国明尼苏达大学化学系Gianluigi Veglia教授合作指导，深圳湾实验室王英杰副研究员与明尼苏达大学的Ctistina Olivieri博士，Geoffrey Li博士为共同第一作者。

论文链接：https://elifesciences.org/articles/55607

撰稿 | 王英杰

编辑 | 鲍 啦