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方法文章

肽-金属配合物结构与配位测定的1D与2D 1H NMR方法

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DOI：

10.3791/50747

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2013年12月16日

 ,  , 
1Department of Chemistry, The Hebrew University of Jerusalem, 2Wolfson Centre for Applied Structural Biology, The Hebrew University of Jerusalem

本文内容

摘要

已测定含 Cu(I) 的金属伴侣模型肽的核磁共振（NMR）溶液结构，并详细描述了从样品制备、一维和二维数据采集到三维结构解析的完整实验方案。

摘要

金属伴侣转运蛋白结合一价铜（Cu(I)）可防止铜被氧化，并避免释放可能参与有害氧化还原反应的有毒离子。在惰性条件下，通过核磁共振波谱法测定了包含序列MTCSGCSRPG（下划线部分为保守序列）的一价铜结合金属伴侣蛋白肽段模型的Cu(I)配合物在溶液中的结构。

核磁共振（NMR）是一种广泛用于测定蛋白质和多肽溶液结构的技术。由于难以获得适合X射线晶体学研究的单晶，核磁共振技术显得尤为重要，尤其因为它提供的是溶液状态而非固态的信息。本文描述了通过核磁共振进行完整三维结构测定所需的所有步骤，包括在核磁共振管中进行样品制备、一维和二维数据的采集与处理、化学位移归属与积分、分子力学计算以及结构分析。重要的是，分析最初在没有任何预设金属-配体键的情况下进行，以确保以无偏倚的方式获得可靠的结构测定结果。

引言

多肽被广泛用作蛋白质模型、潜在的药物先导化合物以及其自身的治疗剂。然而，由于结晶困难，它们的分子尺寸较小且具有高度柔性，通常难以通过X射线确定其结构。

核磁共振（NMR）可用于测定肽的结构及其相互作用。该方法可提供有关局部和整体结构、结合情况以及低亲和力相互作用的信息，且由于可在溶液状态下进行，适用于难以处理的样品。

生物系统中的铜转运由细胞内铜金属伴侣蛋白介导，这些蛋白特异性结合 Cu(I) 离子，并通过一系列蛋白质-蛋白质相互作用将铜离子递送至靶蛋白，从而保护铜离子不被氧化，并防止有毒铜的释放2-5。其结合位点的特征为保守序列 MXH/TCXanyXanyC，核磁共振（NMR）和晶体学研究均表明，该序列通过两个半胱氨酸残基的软硫醇配体结合 Cu(I) 离子，尽管也有研究提出可能存在额外的外部配体6-8。这些蛋白的结构与功能关系一直是深入研究的课题9。

在本研究中，合成了一种包含铜金属伴侣蛋白保守序列的多肽模型，并在惰性环境中与 Cu(I) 发生反应。本文所述的实验方案详细介绍了通过核磁共振（NMR）进行结构测定的各个步骤，包括样品制备、数据采集、数据处理、结构生成及结构分析。分析分为两个阶段：首先，在不引入多肽与铜离子结合方式信息的情况下生成初始结构；随后，基于实验确定的结合模式，将相应的约束条件引入计算，以获得高分辨率的结构。结合模式是该模型中的关键要素，因此以无偏倚的方式加以确定。

模型肽的核磁共振（NMR）结构测定是一种极为有价值的技術，常被化学家和生物学家所采用。该方法可相对容易地应用于不同条件下的多种肽类，从而有助于阐明相关的作用机制10。理解结构解析过程有助于更深入地认识所提出结构的优缺点。

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方案

1. 样品制备

  1. 脱辅基样品：将约1-2 mg肽溶解于450-500 µl 氘代核磁共振级溶剂中（生物样品首选溶剂为含10% D2O的水溶液，或当样品不溶于水或与水发生反应时使用d6-DMSO11-12）。
  2. 铜结合样品：将约1-2 mg肽与等摩尔量的金属盐溶解于450-500 µl 核磁共振溶剂中。
  3. 使用烧结玻璃、滤纸或任何适合待测化合物且不会吸附样品的过滤技术对溶液进行过滤。此步骤至关重要，可去除任何金属颗粒，避免影响溶液均一性。
  4. 将溶液转移至核磁管中并封口。确保核磁管质量与所用磁体强度相匹配（详见仪器参数表）。
  5. 若样品对氧气敏感，则上述操作必须在惰性气氛下进行，并将核磁管密封以防止氧化。

2. 核磁共振数据采集与处理13

  1. 记录 1D 1H谱的脱辅基样品与铜反应后样品并进行比较。含铜肽的谱图应在酰胺区域显示出明显的化学位移变化，且峰形分辨度提高，因为脱辅基肽具有柔性，呈现多种构象的平均信号，而与铜结合后，肽段的酰胺基团形成单一稳定结构。图2).
    1. 若光谱未发生变化，则认为反应失败。
    2. 如果样品变为绿色，则说明铜已在空气中氧化，这可能会改变其结合特性。
    3. 在这两种情况下，都需要重新制备样品。
  2. 找到使酰胺残基谱线宽度最窄且重叠最少的核磁共振测量最佳温度条件。
  3. 设置 COSY14，TOCSY15 和NOESY16，或 ROESY17 在相同条件（温度、pH）下进行核磁共振实验， 等等。）并按顺序运行。
    1. COSY（图3）和 TOCSY（图4) 实验将分别检测相邻及较长距离邻近质子-质子之间的键合相互作用。COSY 谱提供有关 HN-Hα 相关残基的HN及其他脂肪族质子信息，而TOCSY谱除此之外还提供这些质子间的相关性。
    2. NOESY 和 ROESY（图5）实验通过检测空间邻近性来获取结构信息，不依赖于化学键。两种方法的选择取决于化合物的有效尺寸和磁场强度。某些组合会产生理论上的零信号（图6) 需要进行ROESY实验以检测NOE相互作用10,18.
    3. 如果样品溶于水中，则实验需要包含水峰抑制组分。使用梯度场是最有效的实现方式。19在此情况下，一旦分配完毕，最好将样品在纯D中重新运行一次2O 以获得与 H 之间的相互作用及 H 内部的相互作用α 氢原子
    4. 通过运行若干短时实验，优化 TOCSY 和 NOESY 或 ROESY 的混合时间，以在最小化自旋扩散损失的前提下获得信号的最大增长。确保该条件处于信号增长曲线的线性区域。在 600 MHz 磁场下，多肽样品常用的参数值包括：TOCSY 实验的混合时间约为 100 毫秒，NOESY 或 ROESY 实验的混合时间约为 150 毫秒。
    5. 在每次实验之间运行一维实验，以确保在整个数据采集过程中样品组成保持恒定（图7).
  4. 使用适当的截短函数处理谱图，以在最小信号强度损失的情况下获得最高分辨率，并在t1维中添加零填充。
    1. 在F2和F1维上使用二次多项式函数进一步校正基线。
    2. 根据各自溶剂中残留水或DMSO峰相对于已知标准品（分别为TMSP或TMS）的化学位移，仔细校准谱图的化学位移。

3. 使用 SPARKY20 进行峰归属与积分

  1. 准备一组COSY和TOCSY谱图，并将其叠加在NOESY或ROESY谱图上（图8）。
  2. 根据Wüthrich建立的逐个残基归属方法，对谱图中的所有NOE峰进行归属21。
    1. 首先归属指纹区中与TOCSY信号重叠的峰，这将有助于后续使用SPARKY程序进行峰归属（图9）。记录归属的化学位移（图10）以及3JHNHα值（图11）。
  3. 将峰转化为距离约束，并将3JHNHα值转化为二面角。
    1. 可通过在程序内对峰进行积分，并利用已知距离的相互作用（例如亚甲基基团中两个质子之间或芳香族氨基酸中芳香环氢原子之间的距离）将其转换为距离约束。
    2. 若峰发生重叠而无法使用积分方法，则可通过目视估计将其标记为强-中-弱-极弱，并将这些等级分别对应为不超过2.5、3.5、4.5和5.5 Å的距离。该方法在多肽研究中尤为有效。
    3. 根据Karplus方程，3JHNHα值可反映二面角，而大多数耦合常数可能对应多个不同的二面角。这些信息可用于提示二级结构（如α-螺旋或β-折叠）、无规卷曲或构象平均状态。因此，必须谨慎使用这些约束条件，或将其作为构象分析结果的验证依据。

4. 使用 XPLOR22 进行分子力学计算以生成结构集合

  1. 以 XPLOR 所需的正确格式导入距离限制和二面角。图12, 仅考虑残基间约束。XPLOR 将搜索构象空间，以找到满足标准几何化学约束（如键长、键角、手性）的结构 等等。 除了实验确定的距离约束外，还需生成一个不违反上述任何参数的系综，该系综将作为起始系综。
  2. 第一次结构测定运行时不施加任何金属约束条件。这将显示在无偏置情况下参与金属结合的残基。跳至步骤4.4。
  3. 除了核磁共振（NMR）获得的距离约束外，还需向已确定的残基添加金属结合约束。
    1. 添加适当的参数以描述金属离子及其拓扑结构。
    2. 必须将适当的物理信息（质量、与其他原子的键长、键角以及非键排斥参数）输入参数文件中。
    3. 将结合信息添加到拓扑文件中：哪些键形成和断裂 以及结合后发生改变的正式电荷。
  4. 创建一个通常由10名成员组成的小型集合。
    1. 逐步引入约束条件，首先从主链到主链的相互作用开始，然后是主链到侧链，再是侧链到侧链的相互作用；同时从残基内、相邻残基间，逐步扩展到更长距离的相互作用。这有助于识别化学位移指认中的错误。
    2. 将NOE能量表示为具有50 kcal/mol恒定力常数的方阱势能•Å2模拟退火应在1,500 K下进行1,500步、每步3飞秒，随后在降温至500 K过程中进行3,000步、每步1飞秒。最后，采用共轭梯度能量最小化方法对结构进行4,000次迭代优化；这些参数可在XPLOR中根据需要调整。
  5. 创建一个通常包含50个成员的最终集合体。对整个集合体执行从步骤4.4开始的后续步骤。
    1. 报告所发现的每种NOE相互作用的数量，如图所示 图13.
  6. 构建一组符合标准化学几何构型及经验性核磁共振（NMR）衍生约束条件的结构集合。
    1. 报告构象的总数、其中违反NMR衍生约束条件的构象数量，以及整个集合的RMSD。 主链和所有重原子的RMSD值。

5. 结构分析

  1. 所解析的系综代表了该肽在核磁共振测量期间所采用的构象空间。分子不同区域的局部柔性可能有所差异，这可归因于结构或功能因素（结构分析的目的在于确定其稳定性和作用机制的结构基础）。
    1. 将该结构的所有构象导入 MolMol 程序23，以创建初始集合（图14).
  2. 检查该集合，以确定分子的局部稳定性。
    1. 通过沿序列选择连续的四残基区域，并让程序计算其与最低能量结构或平均结构的主链和侧链均方根偏差（RMSD）值。
    2. 确定分子中哪些区域表现出局部稳定性图15通过绘制局部RMSD随序列变化的函数图。
    3. 将该分子区域的构象集合进行叠加，并利用此集合进行后续分析（图16).
  3. 选择符合核磁共振（NMR）衍生约束条件（无违反约束）的低能量构象。这些构象将形成 "低能量集合体".
    1. 报告集合中构象的数量、选择这些构象的标准以及在步骤中定义的RMSD值 ‎4.6.1.
    2. 如果金属结合模式已确定，则继续下一步。否则：分析低能构象集合，确定哪些残基侧链彼此处于合适的距离，能够结合金属离子。确定这些残基后，返回步骤 3.3，重新进行分析，并纳入铜结合数据图17 对于整体和 图18 （针对低能构象体）。
  4. 使用 MolMol 程序的默认搜索参数分析该分子集合，确定其局部二级结构。二级结构由氢键维持，代表分子中的稳定区域。
    1. 确定每种构象体的二级结构（图19).
      1. 创建一个表格，列出该构象集合中每种二级结构所占的百分比。
      2. 确定二级结构区域是否与通过局部RMSD确定的稳定区域重叠。这种情况常常存在。
  5. 确定分子内的距离和氢键。
    1. 将组合导入 Chimera24.
    2. 使用 Chimera 确定疑似金属结合原子之间的分子内距离。计算该集合中的平均距离。
    3. 使用 Chimera 确定集合中每个构象体的分子内氢键图20），使用程序默认的氢键参数（放宽20%）。
    4. 创建一个表格，列出系综中每种氢键在各构象中出现的百分比。在多数构象中反复出现的氢键表明其为稳定的氢键，有助于结构的稳定性。
  6. 确定分子内的静电相互作用。
    1. 识别带电侧链之间的相互作用。
    2. 创建一个表格，列出系综中每种构象体表现出的每种静电相互作用的百分比。
  7. 使用 Amber 计算静电势分布25 Delphi 中的力场26 程序
    1. 从系综中选择一个具有代表性的构象，用于进行静电势计算。
    2. 使用泊松-玻尔兹曼方程和完整的库仑计算推导静电势。所需参数包括溶液的离子强度、溶液的介电常数（水为80；DMSO为40）、肽段内部介电常数（通常约为5.0）、网格尺寸（通常为65×65×65个点）以及肽段与网格边缘之间的最小距离（10） Å）。结果通常对这些数值具有较强的稳健性，因为主要结果由肽段本身决定（图21).
    3. 检查将静电势映射到肽的范德华表面的结果（图22).
    4. 检查描述相同电势位置的静电势等值面。寻找具有生物学相关性的等值面，例如延伸的正电或负电表面，可能吸引或排斥其他蛋白质或配体；或指示重要性的分布特征，如两亲性分布或具有不同性质的区域斑块图23).
  8. 汇总所有结构发现，以观察它们如何相互印证。
  9. 根据具体情况，重复步骤 4.3–5.7.4。

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结果

作为铜结合蛋白模型持续研究的一部分，通过溶液态核磁共振（NMR）测定了线性肽 MTCSGCSRPG 中保守序列 MT/HCXXC 的结构。该肽在惰性环境条件下与 CuCl 反应，用通用试纸测得 pH 值约为 3.0。肽的酰胺区在与铜反应后出现展宽，化学位移范围从 6.7–8.5 ppm 扩展至 6.6–9.0 ppm（图 2）。基线中可见轻微铜氧化引起的谱线展宽。

铜反应后的肽样品随时间保持稳定（图7），其谱图分辨率良好（图8），通过ROESY实验获得了81个NOE相互作用，而分子在NOESY谱图中几乎未产生NOE相互作用（理论解释见图6）。

对于反应样品衍生的肽段，采用无金属约束的集合计算，得到50个结构中有47个未违反约束条件，主链和重原子的RMSD值分别为1.44和2.07 Å。其中，选取了13个低能量构象进行进一步分析，其主链和重原子的RMSD值分别为0.25和0.61 Å。

...

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讨论

利用结构信息来理解结合机制的作用已被广泛认可。多肽可作为蛋白质结合与相互作用研究的理想模型；然而，它们并不适用于主要的结构测定方法——X射线晶体学。核磁共振（NMR）特别适用于这类体系，因为其结构可在溶液状态下直接解析。这一点对于金属伴侣蛋白模拟物尤为关键，此类体系还需在惰性环境中进行结构测定，以防止金属离子被氧化。

含有保守的MT/HCXXC基序的MTCSGCSRPG肽能够结合Cu(I)，这一点通过其从无金属状态到与铜反应后的肽光谱发生的显著变化得以证实。由于NOESY谱图中无相互作用信号，因此需要在600 MHz磁场下进行ROESY实验，这表明该肽结构紧密；根据我们的经验，6-7个残基的小肽通常处于NOESY谱图信号缺失的范围，但此类大小的肽通常仍能产生足够的信号。在ROESY谱图中共观察到81个交叉峰，其中N个为残基间交叉峰，(81-N)个为残基内交叉峰。与蛋白质相比，这一峰数量较少，但在小肽中属预期结果；尤其是环状肽，由于所有侧链均向外伸展，彼此间相互作用较少，因而通常只产生较少的交叉峰。

由于金属本身无法通过

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披露

作者声明不存在相互竞争的经济利益。

致谢

我们感谢人类前沿科学计划（青年研究者资助（RGY）0068-2006）提供的经费支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
Avance DMX 600 MHz 核磁共振波谱仪Bruker
NMR 样品管 Wilmad535-PP
手套箱MBraunLM05-019
冷冻干燥机  VirTisbenchtopK
多肽BioChemia定制合成>95% 纯度
氯化亚铜Aldrich224332
盐酸BioLab231-595-7
氢氧化钠Gadot1310-73-2
d6-二甲基亚砜Aldrich236926
重水Aldrich151882

参考文献

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