天然细胞膜中水通道蛋白AqpZ的动力学的固体NMR研究

Aquaporin Z is a water channel of E. Coli cell. Characterization of dynamics in multiple timescales is an effective approach for elucidating mechanism of water permeation of AqpZ. Solid-state NMR provides a number of experimental methods to study dynamics of membrane proteins in different timescales, and can reveal atomic-resolution motional properties of membrane proteins in native cell membrane environment. The aim of this project is to reveal mechanism of water permeation of AqpZ on native E. coli membrane by characterizing dynamics of transmembrane alpha-helices and dynamics of side-chain of residues composed of the selective filter. Implementation of the project will deepen our understanding of water permeation mechanism of aquaporin in native cell membrane environment.

大肠杆菌AqpZ是细胞膜中运输水分子的跨膜通道蛋白，目前其运输水分子的动态的分子机制还有很多不清楚的地方。研究多时间尺度的动力学特性是揭示膜蛋白分子机理的重要途径。固体NMR拥有非常丰富的研究膜蛋白多时间尺度的动力学的实验方法，能够在天然细胞膜环境下揭示膜蛋白原子分辨率的动力学特性。本项目拟以多维固体NMR为主要研究手段，通过研究组成水通道的跨膜螺旋的协作运动和与水通道门控相关的SF区域关键残基侧链的运动特性，结合分子动力学模拟方法，揭示在天然细胞膜环境下AqpZ的动态分子机制。本课题的顺利实施将加深在天然细胞膜环境中水通道蛋白的分子机制的理解。

水通道蛋白在细胞内外快速而高效地运输水分子，但其动态分子机制并不清楚。本项目充分发挥魔角旋转固体核磁共振在研究膜蛋白多时间尺度运动的独特优势，利用多维的固体核磁共振实验，在天然细胞内膜和磷脂膜环境中通过化学位移指认和结构测定，测量动力学参数以揭示水通道蛋白的动态分子机制，同时通过测量组成SF区域的重要氨基酸的侧链的动力学来研究门控机制。. 本项目利用3D DIPSHIT实验，测量了三组具有氨基酸残基位点分辨率的100个氨基酸的order parameters, 同时利用1H检测的实验方法，利用40 KHz高速魔角旋转和90%氘代的AqpZ样品，测量得到了79个氨基酸的T1ρ。这些动力学参数表明AqpZ的刚性。通过利用GAF模型分析这些动力学参数，得到了水通道蛋白AqpZ跨膜螺旋协同运动的幅度、角度和相关时间的重要信息。并通过分析这些协同运动对于水道中水分子和组成孔道的氨基酸所形成的氢键的形成和破坏，揭示了跨膜螺旋的协同运动能促进的水分子运输。同时这些协同运动也促使水分子能通过水道中最窄的SF区域。 另外，通过测量组成SF区域的重要氨基酸R189侧链的动力学、构象、结构和水接近性，揭示了水通道蛋白的永久开放的门控分子机制。. 本项目首次揭示水通道蛋白的高分辨率的动力学特征，其顺利实施加深了对动力学在膜蛋白的功能的重要作用的理解，也充分展示了固体核磁共振在研究膜蛋白的动力学中的独特优势，具有重要的科学意义。