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铁蛋白调控Fe-O纳米团簇形成的分子机制

作者：X-MOL 2024-05-07

金属纳米团簇和纳米颗粒在催化、生物传感和药物靶向递送等领域有着广泛的应用。蛋白质能够利用其独特的空间结构和配位环境对纳米颗粒的形状和体积进行调控。在各种蛋白质模板中，铁蛋白具有可控的微环境、易溶于水、结构稳定、单分散性强、易于遗传和化学修饰等理想特征，已有多种金属纳米团簇和纳米颗粒在其内腔中被成功合成，然而，这些纳米团簇和颗粒形成的详细过程和分子机制仍然不清楚。

近日，山西大学分子科学研究所王宏飞教授和王文明副教授与中国农业大学赵广华教授、南开大学郭宇教授、上海科技大学武丽杰副研究员开展合作研究，利用蛋白质晶体衍射技术和冷冻电镜技术，对支原体铁蛋白内Fe-O纳米团簇形成的过程进行了详细的表征与分析，获得了团簇生长过程的多个中间状态，描绘出纳米团簇在铁蛋白内部形成并逐步生长的动态变化过程。相关论文发表于J. Am. Chem. Soc.，第一作者为王文明副教授。

铁蛋白晶体结构表明，支原体铁蛋白四重轴通道带负电，E螺旋向外倾斜约30度，多个酸性氨基酸（E164、E168、E171）从上到下依次排列，与人源铁蛋白形成鲜明对比，如图1所示。该通道为纳米团簇的形成提供了理想的配位环境，是纳米团簇开始形成的起始位点。

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图1. 支原体铁蛋白独特的四重轴通道

随后将支原体铁蛋白晶体在亚铁溶液中进行浸泡，Fe-O纳米团簇在铁蛋白内部逐步形成，收集衍射数据，并结合Fe原子的X射线反常散射信号对团簇中铁原子和氧原子进行区分，最终解析获得十余种处于不同生长阶段的Fe-O纳米团簇精确的空间结构，部分中间状态如图2所示。晶体结构表明，Fe-O纳米团簇的形成依赖于四重轴通道独特的配位环境，酸性氨基酸的突变将导致团簇无法形成。Fe-O纳米团簇由于受到四重轴通道的限制，具有非常相似的结构和形状。同时，合成的Fe₃₅O₂₃Glu₁₂是目前已知的，具有精确空间结构的，含铁数量最多的Fe-O纳米团簇。相关的坐标文件已递交PDB数据库（PDB ID：8W6M，8W6Q，8W6S，8W6U，8W6Y，8W73，8W74，8W79，8W7B，8W7O，8W7Q，8W7T，8W7U，8W7V，8WPT，8WPV）。

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图2. 支原体铁蛋白内Fe-O纳米团簇连续的生长过程

当Fe-O纳米团簇生长到一定阶段后，其生长变得不再规则和统一，无法利用蛋白质晶体学进行继续观察，故而采用冷冻电镜对更大体积Fe-O纳米团簇的进行测定，最终共解析得到5种具有不同大小Fe-O纳米团簇的铁蛋白空间结构，其中，3种的对称性为O，2种为C1。结构表明，Fe-O纳米团簇在摆脱四重轴通道限制以后，可以继续生长，且不依赖于任何的氨基酸残基。但是，团簇的生长不再均一和对称，不同铁蛋白内部的团簇形状和大小各不相同，甚至同一个铁蛋白内部不同四重轴通道处的团簇也大相径庭，如图3所示。相关的坐标文件和密度文件已递交PDB数据库（8WQV，EMD-37755；8WQU，EMD-37754；8WQX, EMD-37757；8WQY，EMD-37758；8WR0，EMD-37759）。

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图3. 支原体铁蛋白内不同四重轴通道处的Fe-O纳米团簇

基于以上动态过程的研究，为深入认识铁蛋白内Fe-O纳米团簇形成的分子机制提供了强有力的证据，相关研究也将为其它金属纳米团簇的合成及调控提供参考。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

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Growth Process of Fe−O Nanoclusters with Different Sizes Biosynthesized by Protein Nanocages

Wenming Wang, Hongfang Xi, Dan Fu, Danyang Ma, Wenjun Gong, Yaqin Zhao, Xiaomei Li, Lijie Wu, Yu Guo, Guanghua Zhao, Hongfei Wang

J. Am. Chem. Soc. 2024, DOI: 10.1021/jacs.3c13830

课题组介绍

山西大学分子科学研究所王宏飞教授，1996年毕业于中国南京大学获得理学博士学位，2001年毕业于日本立教大学获得理学博士学位。2001年至2003年，在日本理化学研究所基因科学研究中心从事博士后研究。2003年至2009年，在日本理化学研究所生命分子系统研究领域任特别研究员。作为实验负责人，具有二十多年大型同步辐射光源SPring-8、日本光子工厂和上海光源的使用经验。2012年入选山西省引进高层次人才计划。2013年入选山西省高等院校131领军人才工程，2014年入选山西省学术技术带头人。2015年入选中国生物医学光子学专业委员会委员，2018年入选中国生物物理化学专业委员会委员。2022年获得山西省科技合作二等奖（第一完成人）。

山西大学分子科学研究所王文明副教授，2010年本科毕业于南开大学信息技术科学学院。2015年毕业于南开大学生命科学学院，获得理学博士学位。任职以来，承担及参与多项国家自然科学基金项目，从事金属蛋白结构与功能研究。在Proc Natl Acad Sci USA, J Am Chem Soc, Angew Chem Int Ed, ACS Nano, Chinese Chem Lett, Chem Commun, Inorg Chem，J Virol等国际权威期刊发表学术论文30余篇。2022年获得山西省科技合作二等奖（第二完成人）。

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