结构域是蛋白质中具有特异结构和独立功能的区域。大约70%的真核生物蛋白质由多个结构域组成的，它们参与信号传导、肌肉伸缩等诸多生物功能。结构域之间多次联结、结构域内序列不连续的蛋白质称为多联多结构域蛋白质（MMP），如腺苷酸激酶（ADK，本文研究对象）。Haas等人在实验中改变盐酸胍浓度触发ADK折叠，发现其塌缩很快而二级结构形成却很慢。Haran等人利用实验得到了不同盐酸胍浓度下的平衡态轨道，发现了多个中间态并且各个态之间的转变几率可通过盐酸胍浓度调控。尽管已有了这些重要的实验结果，但盐酸胍溶液中ADK塌缩/折叠过程中结构如何形成、中间态的结构信息/折叠路径仍然不清楚。
物理学系刘振兴副教授与美国德克萨斯大学奥斯汀分校化学系D．Thirumalai教授一起首次将自组装聚合物模型和分子转移模型联合用于研究MMP，模拟了实验条件下ADK（包括三个结构域：NMP 、LID、CORE）的折叠过程，包括控制温度和变性剂盐酸胍浓度，实现了模拟结果和实验结果的直接比较。本研究选取ADK三个结构域中的天然接触形成比例作为序参量来对100条折叠轨道进行分析，发现ADK的折叠有多个平行路径（图1），其中NMP和LID都只有2个态（用L、H表示），CORE有5个态（用1-5表示），而 ADK整体表现出有13个态，对应于15种折叠路径。13个态之间的转变几率非常复杂，折叠初期ADK的状态及路径非常多样化，而折叠后期自由能面对ADK结构的约束更强，反映出随着折叠的进行自由能面逐渐紧缩至天然态。
图1 ADK折叠的平行路径
基于本研究结果，我们认为多联多结构域蛋白质中的协作性出现在折叠后期，而折叠早期却高度多样化。我们的很多预测，如转变温度随盐酸胍浓度的变化、多个结构域的形成顺序及其相互作用，都可通过实验进行验证；精细的结构变化还需单分子实验验证。类似的结论很可能也适用于核酶（多个结构域组成的具有酶催化功能的RNA分子）受离子驱动的折叠过程，我们建议用单分子拉伸实验来研究RNA内部各个结构域之间的相互作用。本工作也为研究其他MMP提供了重要的模拟方法。
相关成果近日以“Cooperativity and Folding Kinetics in a Multidomain Protein with Interwoven Chain Topology”为题刊发在美国化学学会ACS出版社旗下的综合性期刊ACS Central Science上。北京师范大学物理学系刘振兴副教授为论文的第一作者和通讯作者，美国德克萨斯大学奥斯汀分校化学系D．Thirumalai教授为论文的共同通讯作者。北京师范大学物理学系为论文的第一单位。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.2c00140