研究论文\(\def\h填{\hskip5em}\def\hfil{\hski p3em}\def\eqno#1{\hfil{#1}}\)

期刊徽标结构
生物学
国际标准编号:2059-7983

工程变体为研究高动态三聚体蛋白二硫异构酶ScsC活性的结构特性提供了新的视角奇异变形杆菌

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澳大利亚昆士兰大学分子生物科学研究所,昆士兰圣卢西亚,昆士兰州4072,b条格里菲斯大学格里菲斯药物发现研究所,澳大利亚昆士兰州内森4111,以及c(c)澳大利亚核科学与技术组织,新南威尔士州卢卡斯高地,2234,澳大利亚
*通信电子邮件:awh@ansto.gov.au,jlm@griffith.edu.au

日本大阪大学G.Kurisu编辑(2018年9月29日收到; 2019年1月3日接受; 2019年2月26日在线)

铜敏感性蛋白C的抑制剂奇异变形杆菌(PmScsC)是一种同三聚体二硫键异构酶,在铜耐受性中发挥作用,这是该泌尿病原体的关键毒力特征。酶的每一个原聚体都有一个N-末端三聚体柄(59个残基),其中包含一个连接到硫氧还蛋白-折叠物的柔性连接体(11个残基催化域(163个残留物)。这里是两个PmScsC变体,PmScsCΔN和PmScsCΔ链接器具有特征。PmScsC公司ΔN是原聚体的N端截短形式,三聚茎的两个螺旋被去除,产生具有二硫醇氧化酶而不是二硫异构酶活性的蛋白质。这个晶体结构PmScsC的Δ正如所料,此处报告的N揭示了一种结构类似于催化域本地PmScsC的。第二种变体,PmScsCΔLinker被设计用于去除11-氨基酸连接物,并且它生成的蛋白质既没有二硫键异构酶也没有二硫醇氧化酶活性。这个晶体结构PmScsC的ΔLinker显示出三聚体排列,催化域紧密堆积在一起。小角度X射线散射分析发现,即使在低浓度下,天然PmScsC在溶液中主要为三聚体,而PmScsCΔ连接物以单体、二聚体和三聚体状态之间的平衡状态存在,低浓度时以单体形式为主。这些发现增加了对二硫键异构酶活性的理解,显示了(i)齐聚,(ii)和之间的间距(iii)PmScsC中催化结构域的动态运动都有助于其固有功能。

1.简介

蛋白质二硫键异构酶是在错误折叠的蛋白质底物中校正和洗脱错误二硫键的酶,对许多分泌蛋白质的正确折叠和功能很重要(Berkmen等。, 2005[Berkmen,M.,Boyd,D.和Beckwith,J.(2005),生物化学杂志,28011387-11394]; Hiniker&Bardwell,2004年【Hiniker,A.和Bardwell,J.C.(2004),《生物化学杂志》27912967-12973。】). 典型的细菌二硫化物异构酶是来自大肠杆菌(EcDsbC;扎普等。, 1995[Zapun,A.,Missiakas,D.,Raina,S.&Creighton,T.E.(1995).生物化学,34,5075-5089。]; 传教士等。, 1994【Missiakas,D.、Georgopoulos,C.和Raina,S.(1994)。EMBO J.13,2013-2020。】; 舍甫契克等。, 1994[Shevchik,V.E.,Condemine,G.&Robert-Baudouy,J.(1994)。EMBO J.第13期,2007-2012年。]). EcDsbC作为二聚体发挥作用;当N末端二聚结构域被删除时,产生的蛋白质缺乏二硫键异构酶活性(Sun&Wang,2000【孙晓霞和王春秋(2000).生物化学杂志.27522743-22749。】)也无法与其氧化还原合作伙伴EcDsbD(Goldstone等。, 2001【Goldstone,D.、Haebel,P.W.、Katzen,F.、Bader,M.W.,Bardwell,J.C.、Beckwith,J.&Metcalf,P.(2001)。美国国家科学院学报,98,9551-9556。】). 每个EcDsbC原聚体都有一个硫氧还蛋白折叠体催化域具有氧化还原活性基序,由两个由其他两个氨基酸(CXX年C类;麦卡锡等。, 2000【McCarthy,A.A.、Haebel,P.W.、Törrönen,A.、Rybin,V.、Baker,E.N.和Metcalf,P.(2000)。《自然结构生物学》第7期,196-199年。】). EcDsbC的二硫异构酶活性要求催化半胱氨酸为二硫醇还原形式(Darby等。, 1998【Darby,N.J.,Raina,S.&Creighton,T.E.(1998),《生物化学》,37,783-791。】)这种形式是由EcDsbC与其氧化还原伙伴膜蛋白EcDsbD(Goldstone等。, 2001【Goldstone,D.、Haebel,P.W.、Katzen,F.、Bader,M.W.,Bardwell,J.C.、Beckwith,J.&Metcalf,P.(2001)。美国国家科学院学报,98,9551-9556。】).

最近,我们报道了奇异变形杆菌铜敏感性蛋白C抑制剂(PmScsC;Furlong等。, 2017【Furlong,E.J.、Lo,A.W.、Kurth,F.、Premkumar,L.、Totsika,M.、Achard,M.E.S.、Halili,M.A.、Heras,B.、Whitten,A.E.、Choudhury,H.G.、Schembri,M.和Martin,J.L.(2017),《自然通讯》第8期,第16065页。】). 与DsbC一样,PmScsC是一种具有硫氧还蛋白折叠的蛋白质二硫键异构酶催化域(富隆等。, 2017【Furlong,E.J.、Lo,A.W.、Kurth,F.、Premkumar,L.、Totsika,M.、Achard,M.E.S.、Halili,M.A.、Heras,B.、Whitten,A.E.、Choudhury,H.G.、Schembri,M.和Martin,J.L.(2017),《自然通讯》第8期,第16065页。】)氧化还原活性半胱氨酸(Furlong等。, 2017【Furlong,E.J.、Lo,A.W.、Kurth,F.、Premkumar,L.、Totsika,M.、Achard,M.E.S.、Halili,M.A.、Heras,B.、Whitten,A.E.、Choudhury,H.G.、Schembri,M.A.和Martin,J.L.(2017)。自然通讯。816065。】)和一种氧化还原伙伴膜蛋白(PmScsB),可减少活性位点半胱氨酸(Furlong等。, 2018【Furlong,E.J.,Choudhury,H.G.,Kurth,F.,Duff,A.P.,Whitten,A.E.&Martin,J.L.(2018),《生物化学杂志》293,5793-5805。】). 与DsbC不同,PmScsC是三聚体而不是二聚体(Furlong等。, 2017【Furlong,E.J.、Lo,A.W.、Kurth,F.、Premkumar,L.、Totsika,M.、Achard,M.E.S.、Halili,M.A.、Heras,B.、Whitten,A.E.、Choudhury,H.G.、Schembri,M.和Martin,J.L.(2017),《自然通讯》第8期,第16065页。】). 三晶体结构和小角度X射线散射(SAXS)分析也表明PmScsC是高度动态的(Furlong等。, 2017【Furlong,E.J.、Lo,A.W.、Kurth,F.、Premkumar,L.、Totsika,M.、Achard,M.E.S.、Halili,M.A.、Heras,B.、Whitten,A.E.、Choudhury,H.G.、Schembri,M.和Martin,J.L.(2017),《自然通讯》第8期,第16065页。】). 负责这种构象灵活性的区域是蛋白质三聚化茎内的一个11-氨基酸连接子。用刚性螺旋肽连接体(PmScsC RHP)替换柔性连接体限制了催化域相对于三聚体柄,产生一种作为二硫键异构酶不活跃的蛋白质。此外,PmScsC缺乏三聚化茎(N末端41残基;PmScsCΔN) 作为二硫键异构酶也不活跃,但具有二硫醇氧化酶活性(Furlong等。, 2017【Furlong,E.J.、Lo,A.W.、Kurth,F.、Premkumar,L.、Totsika,M.、Achard,M.E.S.、Halili,M.A.、Heras,B.、Whitten,A.E.、Choudhury,H.G.、Schembri,M.和Martin,J.L.(2017),《自然通讯》第8期,第16065页。】). 天然蛋白和PmScsC RHP变体均未表现出二硫醇氧化酶活性。天然蛋白质(二硫化物异构酶)和PmScsC之间活性谱的差异ΔN(二硫醇氧化酶)被认为是它们不同寡聚状态的结果。

在这里,我们报告了PmScsC的结构特征ΔN与PmScsC的结构和功能表征Δ连接剂(删除11-氨基酸柔性连接剂的变体;图1[链接]). 这个晶体结构PmScsC的Δ正如所料,N揭示了一种与催化域来自全长PmScsC原聚体。我们证明了PmScsCΔ连接子变体缺乏二硫键异构酶和二硫醇氧化酶活性。·晶体结构揭示了PmScsC的三元排列Δ链接器,催化域紧密地相互填充。相反,SAXS分析表明PmScsC的低聚物状态Δ连接物是浓度依赖的,低浓度下呈单体形式,高浓度下呈二聚体形式。为了进行比较,我们通过SAXS分析了全长天然PmScsC的浓度系列,表明即使在非常低的浓度下,溶液中天然蛋白的优势物种也是三聚体。

[图1]
图1
本研究中使用的PmScsC变体的示意图。对应于催化结构域的区域以绿色显示,三聚化茎以洋红色显示,代表柔性连接体的区域以青色显示。橙色圆圈表示氧化还原活性半胱氨酸的大致位置。

2.材料和方法

2.1. 分子生物学、蛋白质表达和纯化

表达PmScsC和PmScsC的结构ΔN是以前创建的(Furlong等。, 2017【Furlong,E.J.、Lo,A.W.、Kurth,F.、Premkumar,L.、Totsika,M.、Achard,M.E.S.、Halili,M.A.、Heras,B.、Whitten,A.E.、Choudhury,H.G.、Schembri,M.和Martin,J.L.(2017),《自然通讯》第8期,第16065页。】)使用UniProt序列B4EV21而不使用预测的周质信号序列(残留物22–243)。制作PmScsCΔ连接子表达构建,PmScsC中编码柔性肽连接子(残基39-KADEQQAQFRQ-49)的DNA从奇异P 供应链控制中心用引物5′-GCAATCATGGCTCTGCAGCGACGAAAGCACTGGCTACATGCC-3′和5′-GGCATGTTCTAGCCAGTCTCGTCTGCAGAGCATGC-3′进行重叠延伸PCR。然后使用连接依赖性克隆将突变基因插入pMCSG7。构建物的测序证实了编码蛋白与N末端His在同一框架内6tag和TEV蛋白酶裂解位点,发现PmScsC残基6Δ连接子也从天冬酰胺突变为赖氨酸。在TEV蛋白酶裂解后,根据全长PmScsC的序列对蛋白质残基进行编号(从S开始1N个2A类…). 所有蛋白质均表达于大肠杆菌BL21(DE3)pLysS细胞并用固定化金属亲和力纯化色谱法,TEV蛋白酶裂解和尺寸排除色谱法如前所述(Furlong等。, 2017【Furlong,E.J.、Lo,A.W.、Kurth,F.、Premkumar,L.、Totsika,M.、Achard,M.E.S.、Halili,M.A.、Heras,B.、Whitten,A.E.、Choudhury,H.G.、Schembri,M.和Martin,J.L.(2017),《自然通讯》第8期,第16065页。】). 采用SDS-PAGE和考马斯染色法估计每个蛋白的纯度>95%。蛋白质的浓度通过测量A类280样品和理论调整A类280第页,共1页毫克毫升−1蛋白质溶液[Abs 0.1%(w个/v(v))]. 理论A类2800.1%的值(w个/v(v))根据确定ProtParam公司(Gasteiger公司等。, 2005【Gasteiger,E.,Hoogland,C.,Gattiker,A.,Duvaud,S.,Wilkins,M.R.,Appel,R.D.&Bairoch,A.(2005)。蛋白质组学协议手册,J.M.Walker编辑,第571-607页。托托瓦:Humana出版社。])PmScsC、PmScsC分别为0.528、0.643和0.558ΔN和PmScsCΔ链接器。

2.2. 二硫异构酶和二硫醇氧化酶测定

PmScsC的二硫异构酶和二硫醇氧化酶活性Δ如前所述确定链接器(Furlong等。, 2017【Furlong,E.J.、Lo,A.W.、Kurth,F.、Premkumar,L.、Totsika,M.、Achard,M.E.S.、Halili,M.A.、Heras,B.、Whitten,A.E.、Choudhury,H.G.、Schembri,M.和Martin,J.L.(2017),《自然通讯》第8期,第16065页。】). 简言之,为了测定二硫键异构酶的活性,我们评估了该蛋白质对打乱的RNase A(scRNase A)进行重折叠的能力。0.23毫克毫升−1(10µM(M))PmScsC公司ΔLinker孵化了40个µM(M)scRNase A;在不同的时间点采集样品,用分光光度法测定RNase A活性,最终浓度为3M(M)胞苷3′,5′-环磷酸单酯(cCMP)。结果以仅RNase a对照活性的百分比报告,并针对仅scRNase a-阴性对照进行调整。PmScsC的二硫醇氧化酶活性Δ通过测量蛋白质在合成肽中两个半胱氨酸之间形成二硫键的能力来评估链接器。肽底物具有在N末端与铕结合的1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7,10-四乙酸(DOTA)和在C末端与赖氨酸甲氧基香豆素酰胺(MCA)结合。随着半胱氨酸被氧化,肽的末端变得非常接近,从而导致荧光增强。PmScsC公司Δ链接器(80n个M(M)或0.002毫克毫升−1)与8个µM(M)使用Synergy H1 Hybrid平板阅读器(美国佛蒙特州BioTek)监测肽底物的含量和荧光随时间的增加,在340和615的激发和发射波长下读取荧光nm。肽氧化速率与原型二硫醇氧化酶EcDsbA的活性有关。将二硫键异构酶和二硫醇氧化酶测定分别重复两次和三次,并报告各自的平均值和标准偏差。

2.3. 结晶

PmScsC的初始结晶命中ΔN和PmScsCΔ在昆士兰大学远程操作结晶和X射线衍射设施(UQ ROCX)中,使用蚊子机器人(英国墨尔本TTP Labtech)设置的商用结晶屏,在96周的悬挂滴蒸气扩散实验中发现了链接物。所有结晶实验均在293培养并使用岩石成像仪进行监测摇滚乐制作者软件(Formulatrix,美国马萨诸塞州沃尔瑟姆)。

PmScsC的衍射良好的杆状晶体ΔN是在一个96 well的筛板中获得的,筛板由200个筛板组成nl PEGRx HT(美国加利福尼亚州Aliso Viejo Hampton Research)条件C10[0.1M(M)三水醋酸钠pH 4.5,30%(w个/v(v))PEG单甲醚5000]和200nl 38号毫克毫升−1PmScsC公司Δ10中为NM(M)HEPES pH 7.4。全氟聚醚(美国加利福尼亚州Aliso Viejo,Hampton Research)用于在液氮中闪蒸冷却晶体之前对其进行低温保护。

PmScsC针状晶体Δ在商业屏幕JCSG的F12井中获得链接器-(Molecular Dimensions,Newmarket,England),然后在24孔板栅筛中围绕原始条件进行优化。这种优化产生了更坚固、衍射更好的晶体。数据收集自使用1生长的晶体0.1微升M(M)HEPES pH值7,32%(v(v)/v(v))Jeffamine M-600和140微升毫克毫升−1PmScsC公司Δ链接器输入10M(M)HEPES pH 7.4、150M(M)氯化钠。晶体在结晶条件下加20%乙二醇进行低温保护,然后在低温流中闪蒸冷却(100K) ●●●●。

2.4. 数据收集、结构解决和细化

PmScsC的数据Δ使用0.95370的波长收集N结构100时的奥数澳大利亚同步加速器MX2光束线上的K,使用蓝色-Ice软件(McPhillips等。, 2002[McPhillips,T.M.,McPhillip,S.E.,Chiu,H.-J.,Cohen,A.E.,Deacon,A.M.,Ellis,P.J.,Garman,E.,Gonzalez,A.,Sauter,N.K.,Phizackerley,R.P.,Soltis,S.M.&Kuhn,P.(2002),J.Synchrotron Rad.9,401-406.]). 数据经过处理并在三角中缩放空间组 P(P)312使用XDS公司(卡布施,2010年【Kabsch,W.(2010),《结晶学报》,D66,125-132。】),无意义(埃文斯,2006年【Evans,P.(2006),《水晶学报》,D62,72-82。】)和SCALA公司(埃文斯,2006年【Evans,P.(2006),《水晶学报》,D62,72-82。】). 通过以下方法获得相位分子置换在里面相位器(麦考伊等。, 2007【McCoy,A.J.,Grosse-Kunstleve,R.W.,Adams,P.D.,Winn,M.D.,Storoni,L.C.&Read,R.J.(2007),《应用结晶杂志》,第40期,第658-674页。】)使用肠道沙门菌伤寒血清型ScsC(PDB条目4gx赫兹; 牧羊人等。, 2013【Shepherd,M.、Heras,B.、Achard,M.E.、King,G.J.、Argente,M.P.、Kurth,F.、Taylor,S.L.、Howard,M.J.、King、N.P.、Schembri,M.A.和McEwan,A.G.(2013)。抗氧化剂。氧化还原信号。第19卷,第1494-1506页。】)作为模型。在中通过迭代模型构建改进了初始模型库特(埃姆斯利等。, 2010【Emsley,P.、Lohkamp,B.、Scott,W.G.和Cowtan,K.(2010),《水晶学报》D66、486-501。】)和精炼在里面菲尼克斯(亚当斯等。, 2010【Adams,P.D.,Afonine,P.V.,Bunkóczi,G.,Chen,V.B.,Davis,I.W.,Echols,N.,Headd,J.J.,Hung,L.-W.,Kapral,G.J.,Grosse-Kunstleve,R.W.,McCoy,A.J.,Moriarty,N.W.,Oeffner,R.,Read,R.J.,Richardson,D.C.,Richards,J.S.,Terwilliger,T.C.&Zwart,P.H.(2010),《水晶学报》D66,213-221。】). 最终PmScsC的质量ΔN模型评估使用摩尔概率(陈)等。, 2010【Chen,V.B.、Arendall,W.B.、Headd,J.J.、Keedy,D.A.、Immormino,R.M.、Kapral,G.J.,Murray,L.W.、Richardson,J.S.和Richardsson,D.C.(2010),《晶体学报》,D66,12-21。】)并且有一个R(右)自由的20.8%的值和R(右)工作分辨率为2.15时的17.5%Å。坐标和结构因子已根据代码保存在蛋白质数据库中6个月和原始数据图像可从https://doi.org/10.14264/uql.2018.843.

PmScsC的数据Δ在UQ ROCX低温条件下收集链环结构(100K) 使用Rigaku FR-E超明亮X射线发生器,产生波长为1.54187的X射线欧,和一个日惹土星944 CCD区域探测器。数据收集是通过Rigaku进行的CrystalClear公司(v.2.0)程序。数据在中处理iMosflm公司(v.7.1.3;巴提耶等。, 2011【Battye,T.G.G.,Kontogiannis,L.,Johnson,O.,Powell,H.R.&Leslie,A.G.W.(2011),《结晶学报》D67,271-281。】)带有空间组 H(H)32(也称为R(右)32:小时)并按比例增加漫无目的的(Evans&Murshudov,2013年【Evans,P.R.和Murshudov,G.N.(2013),《结晶学报》D691204-1214。】)如在中央对手方清算所4套房(v.6.5.008;Winn等。, 2011[Winn,M.D.,Ballard,C.C.,Cowtan,K.D.,Dodson,E.J.,Emsley,P.,Evans,P.R.,Keegan,R.M.,Krissinel,E.B.,Leslie,A.G.W.,McCoy,A.,McNicholas,S.J.,Murshudov,G.N.,Pannu,N.S.,Potterton,E.A.,Powell,H.R.,Read,R.J.,Vagin,A.&Wilson,K.S.(2011),《基督学报》,D67,235-242。]). 由于UQ ROCX的探测器距离限制,衍射数据的最高分辨率限制为2.08Å。晶体强烈衍射,导致非常高的平均值/σ()值(总体27.2,最高分辨率外壳中11.8)。该结构分阶段建造分子置换使用相位器(麦考伊等。, 2007【McCoy,A.J.,Grosse-Kunstleve,R.W.,Adams,P.D.,Winn,M.D.,Storoni,L.C.&Read,R.J.(2007),《应用结晶杂志》,第40期,第658-674页。】)和催化域紧凑型PmScsC晶体结构(残留物47–224;PDB条目4xvw(四驱车))被用作搜索模型。然后手动将三聚化域(不含11-氨基酸柔性连接体)构建到库特(埃姆斯利等。, 2010【Emsley,P.、Lohkamp,B.、Scott,W.G.和Cowtan,K.(2010),《水晶学报》D66、486-501。】). 使用轮次菲尼克斯定义和手动调整库特,参考摩尔概率(陈)等。, 2010【Chen,V.B.、Arendall,W.B.、Headd,J.J.、Keedy,D.A.、Immormino,R.M.、Kapral,G.J.,Murray,L.W.、Richardson,J.S.和Richardsson,D.C.(2010),《晶体学报》,D66,12-21。】). 决赛R(右)自由的R(右)工作值分别为21.0%和17.4%,分辨率为2.08Å。坐标和结构因子已根据代码保存在蛋白质数据库中6英里小时和原始数据图像可从https://doi.org/10.14264/ucl-2018.842所有结构图均于年制作PyMOL公司(v.1.6;Schödinger)和结构定线库特使用“叠加”命令(Emsley等。, 2010【Emsley,P.、Lohkamp,B.、Scott,W.G.和Cowtan,K.(2010),《水晶学报》D66、486-501。】)与C对齐α用最小二乘法计算原子。这个联系人来自的程序中央对手方清算所4套房(优胜者等。, 2011[Winn,M.D.,Ballard,C.C.,Cowtan,K.D.,Dodson,E.J.,Emsley,P.,Evans,P.R.,Keegan,R.M.,Krissinel,E.B.,Leslie,A.G.W.,McCoy,A.,McNicholas,S.J.,Murshudov,G.N.,Pannu,N.S.,Potterton,E.A.,Powell,H.R.,Read,R.J.,Vagin,A.&Wilson,K.S.(2011),《基督学报》,D67,235-242。])用于分析PmScsC和PmScsC三聚体柄之间的相互作用Δ链接器。数据收集和细化统计如表1所示[链接].

表1
PmScsCΔN和PmScsCΔLinker的结晶统计

括号中的值表示最高分辨率外壳。

  PmScsC公司ΔN个 PmScsC公司Δ链接器
PDB代码 6烯 6英里小时
数据收集
波长(Ω) 0.9537 1.541870
分辨率(Ω) 45.68–2.15 (2.22–2.15) 24.99–2.08 (2.14–2.08)
“空间”组 P(P)312 H(H)32/R(右)32:小时
,b条,c(c)(Å) 105.5, 105.5, 35.13 64.04, 64.04, 299.83
α,β,γ(°) 90, 90, 120 90, 90, 120
测量反射次数 265709 (21092) 148450 (8858)
独特反射次数 12203 (1027) 14715 (1135)
R(右)合并 0.132 (0.877) 0.059 (0.140)
R(右)测量 0.135 (0.899) 0.063 (0.150)
平均值/σ() 21.6 (4.9) 27.2(11.8)
多重性 21.8 (20.5) 10.1 (7.8)
完整性(%) 99.7 (97.0) 99.9(100.0)
威尔逊B类系数(Ω2) 28.3 16.9
精炼
不对称单元中的单体数量 1 1
细化中使用的分辨率(Å) 35.13–2.15 24.99–2.08
独特反射次数 12196 14704
R(右)自由的(%) 20.8 21
R(右)工作(%) 17.5 17.4
蛋白质原子数(非H) 1333 1671
配体原子数 0 0
水域数量 68 131
B类因子(λ2)
  平均 34.7 30.5
  蛋白质原子 34.6 30.3
  水域 37.2 33.4
R.m.s.d.,粘结长度(Ω) 0.004 0.003
R.m.s.d.,粘结角(°) 0.815 0.687
摩尔概率结果
  拉马钱德兰支持(%) 98.9 99.5
  Ramachandran异常值(%) 0.6 0
  冲撞得分 0.37 1.17

2.5. SAXS公司

SAXS数据是在澳大利亚同步加速器(Kirby)的SAXS/WAXS光束线上收集的等。, 2013【Kirby,N.M.,Mudie,S.T.,Hawley,A.M.,Cookson,D.J.,Mertens,H.D.T.,Coweson,N.&Samardzic-Boban,V.(2013),《应用结晶杂志》第46期,1670-1680页。】). 使用散漫的大脑软件(v.2.71;澳大利亚同步加速器;https://archive.synchrotron.org.au/aussyncbeamlines/saxswaxs/software-saxswax)并对数据进行了溶剂散射、样品透射和检测器灵敏度校正。0.1、0.5、2.0、5.0和10.0毫克毫升−1PmScsC样品ΔN是通过稀释30毫克毫升−1库存10M(M)HEPES pH 7.4,150M(M)氯化钠。对于PmScsC和PmScsCΔ链接器,在离心浓缩过程中采集样品,并且这些样品的浓度(基于A类280读数)调整为0.1、0.5、2.0、5.0或10.0毫克毫升−1在10中M(M)HEPES pH 7.4、150M(M)氯化钠。这些样品以及空白(10M(M)HEPES pH 7.4,150M(M)NaCl)装入96孔板中(表2[链接]; Trewella公司等。, 2017【Trewella,J.、Duff,A.P.、Durand,D.、Gabel,F.、Guss,J.M.、Hendrickson,W.A.、Hura,G.L.、Jacques,D.A.、Kirby,N.M.、Kwan,A.H.、Pérez,J.,Pollack,L.、Ryan,T.M.,Sali,A.、Schneidman-Duhovny,D.、Schwede,T.、Svergun,D.I.、Sugiyama,M.、Tainer,J.A.、Vachette,P.、Westbrook,J.&Whitten,A.E.(2017)。《基督学报》D73,710-728.]). 根据多孔体积(费歇尔等。, 2010【Fischer,H.,de Oliveira Neto,M.,Napolitano,H.B.,Polikarpov,I.&Craievich,A.F.(2010),《应用结晶杂志》第43期,第101-109页。】)和来自(0)使用由蛋白质序列确定的对比度和部分比体积,使用护根物(v.1.1;惠顿等。, 2008[Whitten,A.E.,Cai,S.和Trewhella,J.(2008)。《应用晶体》杂志,第41222-226页。]). 对于PmScsCΔN、 数据处理和吉尼亚分析使用普里默斯(v.3.2;科纳列夫等。, 2003[科纳列夫·P.V.、沃尔科夫·V.、索科洛娃·A.V.、科赫·M.H.J.和斯维尔贡·D.I.(2003),《应用结晶杂志》第36期,第1277-1282页。]). 对距离分布函数[第页(第页)]根据实验数据生成,使用GNOM公司(第4.6节;Svergun,1992年[Svergun,D.I.(1992),《应用结晶杂志》,第25期,第495-503页。]),从中(0)中,R(右)D类最大值已确定。达明(v.5.3;Svergun,1999年[Svergun,D.I.(1999),《生物物理学杂志》第76期,第2879-2886页。])用于生成蛋白质的16个虚拟原子模型,这些模型的平均值使用达马弗(v.2.8.0;Volkov和Svergun,2003年【Volkov,V.V.&Svergun,D.I.(2003),《应用结晶杂志》,第36期,第860-864页。】),平均结构的分辨率使用SASRES公司(图卡宁等。, 2016【Tuukkanen,A.T.、Kleywegt,G.J.和Svergun,D.I.(2016)。国际癌症研究联合会,第3期,第440-447页。】). 在平均过程中使用了所有16个伪原子模型。PmScsC的模型散射曲线ΔN(SASBDB IDSASDEK4号机组)是根据晶体结构(PDB条目6烯)使用CRYSOL公司(v.2.8.3;斯维尔贡等。, 1995[Svergun,D.,Barberato,C.和Koch,M.H.J.(1995)。《应用晶体》杂志,28,768-773。]).

表2
SAXS数据收集和分析的详细信息

  PmScsC公司ΔN个 PmScsC公司 PmScsC公司Δ链接器
SASBDB ID SASDEK4号机组 萨斯德4 SASDEQ4系统
数据收集参数
仪器 SAXS/WAXS,澳大利亚同步加速器
横梁几何形状
波长(Ω) 1.033
样品到检测器的距离(m) 3.330
q个-范围(Ω−1) 0.008–0.363
温度(K) 283
绝对强度校准
暴露时间(s) 38 (38 × 1s暴露)
配置 96-well板的浓度系列
蛋白质浓度范围(mg毫升−1) 0.1–10.0
样本详细信息
消光系数[A类280, 0.1%(w个/v(v))] 0.643 0.528 0.558
局部比体积(cm−1) 0.742 0.741 0.743
对比度,Δρ(1010厘米−2) 2.79 2.80 2.78
分子质量(来自序列)(kDa) 20.2 24.8 23.4
蛋白质浓度(mg毫升−1) 0.50 0.1, 0.5, 2.0, 5.0, 10.0 0.1, 0.5, 2.0, 5.0, 10.0
结构参数
(0)(来自吉尼亚)(cm−1) 0.004055 ± 0.00001
R(右)(来自吉尼亚) 17.0 ± 0.1
(0)[来自第页(第页)](厘米−1) 0.004053 ± 0.00001
R(右)[来自第页(第页)] (Å) 17.0 ± 0.1
D类最大值(Å) 55±2
多孔体积(Ω) 22200 ± 1000
分子量测定      
分子质量[来自(0)](kDa) 11 ± 2
分子质量(来自多孔材料)(kDa) 19 ± 1
†PmScsC公司Δ编号:(0) = 0.00140 ± 0.00002厘米−1,R(右)= 16.9 ± 0.3Å,M(M)= 19.8kDa(0.1毫克毫升−1);(0) = 0.004053 ± 0.000001厘米−1,R(右)= 17.0 ± 0.1Å,M(M)= 19.1kDa(0.5毫克毫升−1);(0) = 0.01839 ± 0.00003厘米−1,R(右)= 17.1 ± 0.1Å,M(M)= 19.3kDa(2.0毫克毫升−1);(0)=0.05463±0.00005厘米−1,R(右)= 17.2 ± 0.1Å,M(M)= 19.6kDa(5.0毫克毫升−1);(0) = 0.10756 ± 0.00005厘米−1,R(右)= 17.0 ± 0.1Å,M(M)= 19.2kDa(10.0毫克毫升−1). 多孔体积的质量被用作浓度估计值,从中得出质量(0)与预期质量不一致。0.5毫克毫升−1数据用于后续数据分析。

对于PmScsC(SASBDB IDSASDER4号机组)和PmScsCΔ链接器(SASBDB IDSASDEQ4系统),数据被建模为模型散射曲线的线性组合,以量化溶液中不同低聚态的比例(Hu等。, 2012[胡,S.H.,惠顿,A.E.,金,G.J.,琼斯,A.,罗兰,A.F.,詹姆斯,D.E.和马丁,J.L.(2012).公共科学图书馆,第7期,e41731.]). PmScsC单体的结构(链A类),二聚体(链A类B类)和三聚体(链A类,B类C)是从珊瑚先前针对PmScsC的SAXS数据优化的模型(SASBDB IDSASDB94标准; 弗隆等。, 2017【Furlong,E.J.、Lo,A.W.、Kurth,F.、Premkumar,L.、Totsika,M.、Achard,M.E.S.、Halili,M.A.、Heras,B.、Whitten,A.E.、Choudhury,H.G.、Schembri,M.和Martin,J.L.(2017),《自然通讯》第8期,第16065页。】). PmScsC的结构Δ连接单体(链A类),二聚体(链A类B类)和三聚体(链A类,B类C)是从晶体结构PmScsC的Δ链接器(PDB条目6英里小时). 使用以下公式计算每个低聚物的散射曲线CRYSOL公司(第2.8.3节;Svergun等。, 1995[Svergun,D.,Barberato,C.和Koch,M.H.J.(1995)。《应用晶体》杂志,28,768-773。]). 计算的散射曲线(单位为e2)乘以第页e(电子)2(厘米2e(电子)−2N个A类(摩尔−1) × 10−3(l)厘米−3)=4.78181×10−5(厘米−1e(电子)−2摩尔−1l) ●●●●。这种归一化允许在绝对尺度上拟合实验数据而产生的系数被解释为溶液中每个低聚物的摩尔浓度。对于PmScsC,单体和三聚体散射曲线的线性组合拟合到每个浓度的散射数据。此外,为了减少自由参数的数量,对每个SAXS曲线的单体浓度进行了优化,并使用通用的平衡常数, K(K)t吨([3\倍{\rm单体}{\buildrel K_{\rmt}\over{\longleftrightarrow}}{\rmtrimer}])三聚体的浓度根据K(K)t吨和莫莫默浓度。对于PmScsCΔLinker,单体、二聚体和三聚体的线性组合散射曲线被拟合到每个浓度的散射数据。再次,为了减少自由参数的数量,还优化了每个SAXS曲线的单体浓度以及两个常见的平衡常数,K(K)d日([{2\倍{\rm单体}{\buildrel K{\rmd}上{\longlefterrightarrow}}{\rmdimer}])、和K(K)t吨([{rm单体}+{rm二聚体}{buildrel K{rmt}\ over{longlightrightarrow}}{rm三聚体}]). 二聚体的浓度根据K(K)d日以及单体浓度,而三聚体的浓度是根据K(K)t吨单体和二聚体的浓度。根据每个成分的模型浓度,还计算了每个SAXS数据集的总蛋白质浓度,这些数据见表3[链接]这些计算的浓度系统地低于测量的蛋白质浓度。

表3
二聚体和三聚体形成的低聚物组分和平衡常数(K(K)d日K(K)t吨)从SAXS数据分析

首先显示从全局优化中获得的值,并在括号中给出从独立优化中得到的值。

测量浓度(mg毫升−1) 计算浓度(mg毫升−1) 单体分数 二聚体分数 Trimer分数
本地PmSCs(K(K)t吨= 6.3 × 10−18M(M)2)
0.1 0.05 (0.06) 0.01 (0.21) 0.99 (0.79)
0.5 0.33(0.33) 0.00 (0.04) 1.00 (0.96)
2 1.48(1.48) 0.00 (0.00) 1.00 (1.00)
5 3.74 (3.74) 0.00 (0.00) 1.00 (1.00)
10 7.07 (7.08) 0.00 (0.00) 1.00 (1.00)
PmScsC公司Δ链接器(K(K)d日= 2.1 × 10−4M(M);K(K)t吨= 7.3 × 10−4M(M))
0.1 0.07(0.07) 0.97 (1.00) 0.03 (0.00) 0.00 (0.00)
0.5 0.36 (0.36) 0.88 (0.94) 0.12 (0.00) 0.00 (0.06)
2 1.31 (1.30) 0.71 (0.67) 0.27 (0.33) 0.02 (0.00)
5 3.55 (3.55) 0.53 (0.55) 0.41 (0.37) 0.07 (0.08)
10 7.17 (7.15) 0.40 (0.37) 0.48 (0.49) 0.12 (0.10)

3.结果

3.1. PmScsC公司ΔN个晶体结构和SAXS分析

PmScsC的设计及其生化特性Δ之前曾报道过N(Furlong等。, 2017【Furlong,E.J.、Lo,A.W.、Kurth,F.、Premkumar,L.、Totsika,M.、Achard,M.E.S.、Halili,M.A.、Heras,B.、Whitten,A.E.、Choudhury,H.G.、Schembri,M.和Martin,J.L.(2017),《自然通讯》第8期,第16065页。】). 目前的工作报告了晶体结构此变体的。PmScsC晶体ΔN个突变体衍射到2.15的分辨率奥在澳大利亚同步加速器。这个晶体结构使用分子置换只有一个PmScsCΔN分子位于非对称单元(表1[链接],图2[链接]和2[链接]b条). 在晶体包装中,PmScsCΔN与六个与对称性相关的分子接触,但没有一个与催化基序或其周围带正电的表面贴片结合。PmScsC的结构ΔN与催化域存在于之前报告的三个PmScsC结构中的每一个结构中(有效值0.51–0.68O代表Cα174个残基的原子排列在链之间A类每个结构;图2[链接]c(c)). 小角度散射(表2[链接])用于确定PmScsC的低分辨率溶液结构ΔN(图3[链接]). PmScsC的散射数据ΔN代表单体球状颗粒,与根据晶体结构PmScsC的ΔN(PDB条目6烯). 这个晶体结构也显示出与从散射数据导出的哑原子模型的良好一致性(图3[链接]c(c)).

[图2]
图2
PmScsC的结构表征ΔN()PmScsC的结构ΔN变量。结构特征的颜色如图1所示[链接]二级结构元素根据本地PmScsC结构(Furlong等。, 2017【Furlong,E.J.、Lo,A.W.、Kurth,F.、Premkumar,L.、Totsika,M.、Achard,M.E.S.、Halili,M.A.、Heras,B.、Whitten,A.E.、Choudhury,H.G.、Schembri,M.A.和Martin,J.L.(2017)。自然通讯。816065。】). (b条)PmScsC中催化区的电子密度ΔN.钢丝网代表F类o个F类c(c)电子密度差图(生成于菲尼克斯定义结构中省略了感兴趣的区域)轮廓为3σ并显示在a 2中每个原子的半径。(c(c))PmScsC结构线形立体图ΔN(绿色),链残余物46–221A类从紧凑型(青色;PDB条目4xvw(四驱车)),过渡(黄色;PDB入口5idr(国际存托凭证))和扩展(洋红色;PDB条目5标识4)PmScsC结构(Furlong等。, 2017【Furlong,E.J.、Lo,A.W.、Kurth,F.、Premkumar,L.、Totsika,M.、Achard,M.E.S.、Halili,M.A.、Heras,B.、Whitten,A.E.、Choudhury,H.G.、Schembri,M.和Martin,J.L.(2017),《自然通讯》第8期,第16065页。】; 均方根深0.51–0.68奥,174个残基对齐)。这种叠加表明,无论是否存在三聚结构域,结构都是相似的。
[图3]
图3
PmScsC的小角度X射线散射数据ΔN()PmScsC的测量散射数据ΔN.刚体模型的散射剖面显示为覆盖在PmScsC散射数据上的实心黑线ΔN个[χ2=1.12;CorMap测试(Franke等。, 2015[Franke,D.、Jeffries,C.M.和Svergun,D.I.(2015)。《自然方法》,第12期,第419-422页。]),302分,C= 14,P(P)= 0.018]. 插图:吉尼亚阴谋对于PmScsCΔN个(R(右)2= 0.991). (b条)对距离分布函数,第页(第页),从散射数据中导出,表示PmScsC的球状结构ΔN(为清晰起见,乘以系数4),最大尺寸为~55Å。(c(c))PmScsC的可能形状Δ从16个哑原子模型的过滤平均值中获得的N(绿色信封):χ2= 1.079 ± 0.001; NSD=0.522±0.007;分辨率=19±2Å。中的图像(c(c))是使用生成的PyMOL公司,其中灰色形状表示对齐的哑原子模型和晶体结构显示为与过滤模型对齐的功能区图(深绿色)。

3.2、。PmScsC的活动Δ链接器

天然PmScsC的一个关键结构特征是一种11-氨基酸柔性连接体,位于三聚化茎中,与催化域。这个短区域促进了SAXS分析中观察到的晶体结构中的构象变化和三聚蛋白的动态运动(Furlong等。, 2017【Furlong,E.J.、Lo,A.W.、Kurth,F.、Premkumar,L.、Totsika,M.、Achard,M.E.S.、Halili,M.A.、Heras,B.、Whitten,A.E.、Choudhury,H.G.、Schembri,M.和Martin,J.L.(2017),《自然通讯》第8期,第16065页。】). 为了更好地理解柔性链接器的作用,我们设计了一个PmScsCΔ删除11-残基连接子的连接子变体,并在标准分析中描述其功能。我们首先评估了PmScsC的活性Δ干扰RNase A分析中的连接子,发现其活性较差,基线活性类似于典型的二硫醇氧化酶,如EcDsbA或PmScsCΔN(图4[链接]). 然后,我们在模型肽二硫醇氧化酶分析中评估了其活性,其中EcDsbA和PmScsCΔN均为激活状态。然而,与单体蛋白EcDsbA和PmScsC不同ΔN、 PmScsC公司Δ在二硫醇氧化酶分析中,连接物也不活跃(图4[链接]b条). 二硫异构酶活性被认为与齐聚硫氧还蛋白折叠蛋白(Furlong等。, 2017【Furlong,E.J.、Lo,A.W.、Kurth,F.、Premkumar,L.、Totsika,M.、Achard,M.E.S.、Halili,M.A.、Heras,B.、Whitten,A.E.、Choudhury,H.G.、Schembri,M.和Martin,J.L.(2017),《自然通讯》第8期,第16065页。】; Ke(克)等。, 2006[柯,H.,张,S.,李,J.,Howlett,G.J.&Wang,C.(2006).生物化学,45,15100-15110.]; 孙和王,2000【孙晓霞和王春秋(2000).生物化学杂志.27522743-22749。】),所以我们有兴趣确定PmScsCΔ连接子形成三聚体,如全长天然蛋白,或单体,如截短的PmScsCΔN变量。

[图4]
图4
PmScsC的生化活性Δ链接器。()PmScsC的能力Δ杂乱RNase A中异构化错误二硫键的连接子较差;它甚至低于二硫醇氧化酶EcDsbA。(b条)PmScsC公司Δ连接剂二硫醇氧化酶活性较差;它比单体PmScsC低得多ΔN和类似于蛋白质二硫键异构酶EcDsbC和PmScsC。星号表示之前发布的数据(Furlong等。, 2017【Furlong,E.J.、Lo,A.W.、Kurth,F.、Premkumar,L.、Totsika,M.、Achard,M.E.S.、Halili,M.A.、Heras,B.、Whitten,A.E.、Choudhury,H.G.、Schembri,M.和Martin,J.L.(2017),《自然通讯》第8期,第16065页。】). 两个面板中的误差条表示平均值的标准偏差。

3.3. 这个晶体结构揭示了PmScsC的三聚体形式Δ链接器

先前报道的天然PmScsC的三种晶体结构表明,连接体残基可以采用螺旋(延伸信息)、链(中间信息)或环(紧密信息)二级结构(Furlong等。, 2017【Furlong,E.J.、Lo,A.W.、Kurth,F.、Premkumar,L.、Totsika,M.、Achard,M.E.S.、Halili,M.A.、Heras,B.、Whitten,A.E.、Choudhury,H.G.、Schembri,M.和Martin,J.L.(2017),《自然通讯》第8期,第16065页。】). 在扩展信息中晶体结构连接体采用螺旋构象,从而形成一个很长的螺旋(35个残基,约9.5圈;图5[链接])从三聚体柄延伸到催化域PmScsC的。

[图5]
图5
PmScsC的晶体结构Δ链接器。()扩展PmScsC(PDB条目)的单原聚体5标识4). (b条)PmScsC单原聚体Δ链接器。晶体结构的不同特征如图1所示着色[链接]标记了每个结构的N末端,并指出了在天然结构中柔性连接体两侧的残基的位置。(c(c))PmScsC中删除区域周围的电子密度Δ链接器结构。金属丝网代表F类o个F类c(c)电子密度差图(生成于菲尼克斯定义其中感兴趣的区域从结构中省略)轮廓为3σ并显示在a 2中每个原子的半径。

我们解决了晶体结构PmScsC的Δ链接器分辨率为2.08使用分子置换(表1[链接],图5[链接]b条和5[链接]c(c)). 变体在同一个晶体中结晶空间组(H(H)32)和结晶条件作为扩展信息PmScsC(PDB条目5标识4; 弗隆等。, 2017【Furlong,E.J.、Lo,A.W.、Kurth,F.、Premkumar,L.、Totsika,M.、Achard,M.E.S.、Halili,M.A.、Heras,B.、Whitten,A.E.、Choudhury,H.G.、Schembri,M.A.和Martin,J.L.(2017)。自然通讯。816065。】). 然而,PmScsC的单位-细胞尺寸Δ链接器比扩展的PmScsC结构短( = b条 = 64.0,c(c)= 299.8与之相比=b条= 86.7,c(c) = 330.0Å). 这个晶体结构PmScsC的Δ链接器,如晶体结构PmScsC的扩展形式,是通过晶体对称的三聚体,在非对称单元(图6[链接]). 据报道,在三种天然PmScsC晶体结构中,连接区两侧呈螺旋状的区域直接连接在PmScsC中Δ链接器和也是螺旋形的。

[图6]
图6
PmScsC的三聚Δ链接器。()的侧视图和俯视图催化域在中晶体结构PmScsC的Δ链接器。这个晶体结构显示三个月晶体对称性。在许多方面晶体结构类似于中显示的本地扩展PmScsC(b条)(PDB条目5英寸4). 然而,连接三聚化域和催化域在PmScsC中较短Δ由于删除链接器而导致的链接器[cyan in(b条)]. 在两者中()和(b条)使用图1中使用的方案对蛋白质进行着色[链接]. (c(c))静电表面电位催化域PmScsC的Δ链接器原聚体结构。静电计算使用APBS公司(朱鲁斯等。, 2018[Jurrus,E.、Engel,D.、Star,K.、Monson,K.,Brandi,J.、Felberg,L.E.、Brookes,D.H.、Wilson,L.、Chen,J.,Liles,K.和Chun,M.、Li,P.、Gohara,D.W.、Dolinsky,T.、Koecny,R.、Koes,D.R.、Nielsen,J.E.、Head-Gordon,T.,Geng,W.、Krasny,R..、Wei,G.W.、Holst,M.J.、McCammon,J.&Baker,N.A.(2018)。蛋白质科学。27、112-128。])并在-7.5处绘制等高线千吨e(电子)−1(红色)和+7.5千吨e(电子)−1(蓝色)。橙色实心圆圈表示催化半胱氨酸的位置;PmScsC中与相邻催化域紧密接触的催化域区域周围有黑色椭圆形Δ链接器晶体结构。(d日)PmScsC三聚茎的疏水核Δ链接器;形成疏水核的残基侧链呈粉红色。(e(电子))介导两个PmScsC三聚茎间侧链极性和静电相互作用的氨基酸残基ΔLinker原聚体。黑色虚线表示氢键,所涉及的残留物被标记。

这个晶体结构PmScsC的Δ除了长螺旋线缩短了近三圈外,链接器与扩展的PmScsC类似(图5[链接]和5[链接]b条). PmScsC晶体三聚体中的缩短螺旋Δ与天然延伸构象相比,Linker使三个催化域在变体中更接近。从原生质体的催化半胱氨酸之间的距离可以明显看出这种接近性:15PmScsC中的AuΔ链接器和34在扩展的本机结构中为?(在CβCys84的原子;图6[链接]和6[链接]b条).

PmSCs公司Δ链接器晶体结构还揭示了三聚体的每个催化域之间的相互作用。表面界面形成于靠近C的带正电贴片之间XX年C图案催化域一个原聚体和另一个中性/疏水性补丁(图6[链接]c(c)). 该界面不是在扩展的PmScsC结构中形成的,该结构使这两个区域都暴露于溶剂中,也不是由PmScsC中的晶体堆积形成的ΔN结构。

所有三种天然PmScsC晶体结构的三聚茎为α-具有疏水核的螺旋状结构,表面暴露的极性/带电残留物之间有氢键。这些特征在晶体结构PmScsC的Δ链接器(图6[链接]d日和6[链接]e(电子)). 然而,应注意PmScsCΔLinker在N末端有一个额外的意外突变(Asn6Lys)。在三种天然晶体结构中,Asn6残基的侧链与Gln9主链形成分子内氢键。在PmScsC中Δ链接器晶体结构Gln9的侧链采用与所有三种天然PmScsC结构相同的构象,但突变的残基Lys6没有与Gln9主链形成等效氢键。这种特殊氢键的缺乏可能会增加N端无序,尽管晶体结构这表明氢键和疏水接触对三聚反应几乎没有影响。

3.4. SAXS揭示了PmScsC的低聚物状态Δ链接器依赖于浓度

我们之前观察到PmScsC RHP变体(其中柔性连接子被刚性螺旋取代)与天然蛋白质一样形成三聚体,但在蛋白质二硫键异构酶分析(Furlong等。, 2017【Furlong,E.J.、Lo,A.W.、Kurth,F.、Premkumar,L.、Totsika,M.、Achard,M.E.S.、Halili,M.A.、Heras,B.、Whitten,A.E.、Choudhury,H.G.、Schembri,M.和Martin,J.L.(2017),《自然通讯》第8期,第16065页。】). 这种缺乏活动被认为是由于催化域使用小角度散射(Furlong)在溶液中观察到的运动等。, 2017【Furlong,E.J.、Lo,A.W.、Kurth,F.、Premkumar,L.、Totsika,M.、Achard,M.E.S.、Halili,M.A.、Heras,B.、Whitten,A.E.、Choudhury,H.G.、Schembri,M.和Martin,J.L.(2017),《自然通讯》第8期,第16065页。】). 这一发现导致了这样一种假设,即有效的蛋白质二硫键异构酶活性需要至少两个能够相互独立移动的催化结构域(例如二聚体或三聚体)(Furlong等。, 2017【Furlong,E.J.、Lo,A.W.、Kurth,F.、Premkumar,L.、Totsika,M.、Achard,M.E.S.、Halili,M.A.、Heras,B.、Whitten,A.E.、Choudhury,H.G.、Schembri,M.和Martin,J.L.(2017),《自然通讯》第8期,第16065页。】). 我们目前的结果表明,PmScsCΔLinker还形成三聚体,并且作为蛋白质二硫异构酶也不活跃。因此,我们预计,蛋白质二硫键异构酶活性的缺乏是由于催化域,并试图在使用小角度散射的解决方案中证实这一点。

出乎意料的是,PmScsC的初始SAXS数据ΔLinker表现出强烈的浓度依赖性,与PmScsC不同低聚物形式之间的平衡一致Δ连接体(单体、二聚体和三聚体)。这一结果提出了一种可能性,即在低浓度下,野生型蛋白质也可能是单体、二聚体和三聚体的混合物,这也可能影响其功能或调节。为了进一步研究这种可能性,从本地PmScsC收集SAXS数据(图7[链接])和PmScsCΔ链接器(图8[链接])浓度在0.1到10.0之间毫克毫升−1(表2[链接]). 最低浓度(0.1毫克毫升−1)的形状第页(第页)天然PmScsC的功能与高浓度PmScsC的形状不同,表明野生型蛋白有一定的解离作用。试验了许多分析方法,但发现将单体和三聚体散射的线性组合拟合到每个浓度的数据中效果最好(图7[链接]和表3[链接]). 结果如表3所示[链接]对于所采用的两种建模方法(单个模型的全局拟合平衡常数适用于所有数据集并且独立地拟合每个数据集)。然而,可以看出,在低浓度下存在一些分歧,整体拟合预测溶液中单体的比例远低于独立拟合。因此,具有较高信噪比的高浓度数据集可能对确定的平衡常数。尽管如此,这两种分析方法都表明,材料的大部分在所有浓度下都以三聚体形式存在。对于PmScsCΔ链接器,结果大不相同;的形状第页(第页)曲线随评估的每个浓度而显著变化。我们再次尝试了许多方法来拟合这些数据,但发现将单体、二聚体和三聚体散射的线性组合拟合到每个浓度的数据效果最好(图8[链接]和表3[链接]). 虽然分析工作顺利,但由于溶液中单体和二聚体形式的结构未知,这一分析受到了限制。在每一种情况下,我们都做了一个简单的假设,即单体采用了相应的原聚体的结构晶体结构二聚体可以通过从三聚体中除去一个原聚体来表示晶体结构。我们还知道,原生PmScsC在解决方案中是动态的(Furlong等。, 2017【Furlong,E.J.、Lo,A.W.、Kurth,F.、Premkumar,L.、Totsika,M.、Achard,M.E.S.、Halili,M.A.、Heras,B.、Whitten,A.E.、Choudhury,H.G.、Schembri,M.和Martin,J.L.(2017),《自然通讯》第8期,第16065页。】). 虽然模型曲线为散射数据提供了合理的拟合,但实验数据与模型之间存在系统性差异,尤其是在较高浓度下。建模的局限性(缺乏准确的模型、动态运动)解释了大多数这种变化。

[图7]
图7
本机PmScsC的SAXS数据。()在~0.1处收集的分散数据毫克毫升−1(蓝色;χ2=2.55),~0.5毫克毫升−1(橙色;χ2= 7.05), ∼2.0毫克毫升−1(绿色;χ2 = 72.85), ∼5.0毫克毫升−1(红色;χ2=371.94)和~10.0毫克毫升−1(灰色;χ2= 815.23). 每个散射曲线上的叠加线(黑色)是单体和三聚体散射曲线的拟合线性组合。(b条)对距离分布函数,第页(第页),从按浓度归一化的散射数据中得出,0.1毫克毫升−1数据集与其他浓度的数据集略有不同(全部重叠),表明溶液中存在最低浓度的单体的可能性。(c(c))根据拟合的全局优化模型,以单体和三聚体形式存在的蛋白质比例表明,在总蛋白质浓度高于0.05时毫克毫升−1(计算浓度,或0.1毫克毫升−1测量浓度)蛋白质几乎完全以三聚体的形式存在于溶液中。
[图8]
图8
PmScsC的SAXS数据Δ链接器。()在~0.1处收集的分散数据毫克毫升−1(蓝色;χ2= 1.27), ∼0.5毫克毫升−1(橙色;χ2= 2.19), ∼2.0毫克毫升−1(绿色;χ2= 6.89), ∼5.0毫克毫升−1(红色;χ2=37.59)和~10.0毫克毫升−1(灰色;χ2= 177.29). 每个散射曲线上的叠加线(黑色)是单体和三聚体散射曲线的拟合线性组合。(b条)对距离分布函数,第页(第页),从按浓度归一化的散射数据导出,表明溶液的低聚物组成高度依赖于浓度。(c(c))根据拟合的全局优化模型得出的以单体、二聚体和三聚体形式存在的蛋白质比例表明,在低浓度下,单体物种在溶液中占主导地位。三聚体的浓度缓慢上升,预计在38℃时达到~0.2的蛋白质分数毫克毫升−1,这是进行结晶的浓度。

总的来说,SAXS分析表明,在最低浓度为0.1的溶液中,只有1–21%的天然PmScsC作为单体存在毫克毫升−1; 我们得出结论,三聚体是溶液中天然蛋白质的主要形式,即使在低浓度下也是如此。对于变体PmSCsΔ链接器是一个不同的故事;蛋白质在不同的蛋白质之间处于平衡状态齐聚状态。0.1时毫克毫升−1约97%的PmScsCΔ链节溶液以单体的形式存在,而~3%以二聚体的形式出现,三聚体可以忽略不计。10点毫克毫升−1这些比例变化为~40%单体、~48%二聚体和~12%三聚体。

4.讨论

本研究重点描述了PmScsC的两个变体,其天然形式是一种高度动态的三聚二硫异构酶。天然PmScsC原聚体由一个N-末端三聚化茎组成,该茎带有一个连接到C-末端硫氧还蛋白折叠体的11-氨基酸柔性连接体催化域隐藏CXX年C活动站点。为了更好地理解三聚体柄和柔性连接体的作用,我们设计了变体PmScsCΔN和PmScsCΔ链接器。PmScsC公司ΔN缺乏天然PmScsC构建体的前41个氨基酸;其二硫异构酶活性的丧失和二硫醇氧化酶活性的增加以前已有报道(Furlong等。, 2017【Furlong,E.J.、Lo,A.W.、Kurth,F.、Premkumar,L.、Totsika,M.、Achard,M.E.S.、Halili,M.A.、Heras,B.、Whitten,A.E.、Choudhury,H.G.、Schembri,M.和Martin,J.L.(2017),《自然通讯》第8期,第16065页。】). PmScsC公司Δ这里最新报道了Linker,它缺乏构成柔性连接体的11种氨基酸。这里,我们报告了PmScsC的结构Δ并分析了PmScsC的结构和生化功能Δ链接器。

X射线晶体结构PmScsC的ΔN与之前的MALS数据一致,表明该变体为单体(Furlong等。, 2017【Furlong,E.J.、Lo,A.W.、Kurth,F.、Premkumar,L.、Totsika,M.、Achard,M.E.S.、Halili,M.A.、Heras,B.、Whitten,A.E.、Choudhury,H.G.、Schembri,M.和Martin,J.L.(2017),《自然通讯》第8期,第16065页。】). 这个晶体结构也与溶液SAXS数据和SAXS分析获得的低分辨率模型一致。尽管PmScsCΔN个晶体结构与天然PmScsC三种晶体结构中每个晶体结构的催化域结构非常相似,与天然酶不同,它缺乏二硫键异构酶(二硫键合)活性,而具有二硫醇氧化酶(二硫形成)活性。PmScsC催化域具有酸性催化半胱氨酸和能量不利的二硫化物(Furlong等。, 2017【Furlong,E.J.、Lo,A.W.、Kurth,F.、Premkumar,L.、Totsika,M.、Achard,M.E.S.、Halili,M.A.、Heras,B.、Whitten,A.E.、Choudhury,H.G.、Schembri,M.和Martin,J.L.(2017),《自然通讯》第8期,第16065页。】),这也是原型但单体二硫醇氧化酶EcDsbA的特征,因此在模型分析中去除N-末端三聚残基导致氧化酶活性可能并不奇怪。此外,单体PmSCs之间的结构相似性ΔN和天然三聚体PmScsC的催化结构域支持这一概念,即它是N末端干,它定义了催化域是单体或三聚体,这是异构酶或氧化酶活性的决定因素。简单地说,我们观察到的天然PmScsC和变异PmScsC之间的差异活性ΔN不是催化域因为同样的催化域具有氧化酶(单体蛋白)或异构酶(三聚体蛋白)活性的倾向,这取决于其上下文。PmScsC的异构酶活性需要其N-末端三聚结构域和C-末端催化域,EcDsbC的异构酶活性需要其二聚结构域和催化域(孙和王,2000【孙晓霞和王春秋(2000).生物化学杂志.27522743-22749。】).

我们的SAXS分析表明,即使在低浓度下,天然PmSCs在溶液中也是三聚体。然而,PmScsC的SAXS分析ΔLinker表明它主要以单体或低亲和力二聚体的形式存在(K(K)d日约200µM(M))与溶液中的三聚体相比,尽管它以三聚体形式结晶。总之,这些数据表明,去除三聚化杆和催化结构域之间的PmScsC柔性连接体会产生意想不到的后果,降低在溶液中形成稳定三聚体的倾向。

这个晶体结构PmScsC的ΔLinker揭示了为什么与溶液中的单体和二聚体形式相比,三聚体形式的变体可能在能量上不利。PmScsC的三聚体-茎相互作用Δ连接子与在天然酶的晶体结构中观察到的连接子相似,但所有三个催化基序与任何天然PmScsC晶体结构中的连接子都更接近。这种紧密的封装表明PmScsC中催化域之间可能存在不利的接触Δ可能导致三聚体不稳定的连接物。事实上晶体结构PmScsC的ΔLinker揭示了一种原聚体可接触表面上靠近催化基序的带正电荷的补丁与另一种原聚体上的中性/疏水补丁之间的紧密联系。在PmScsC的晶体包装中ΔN结构(不受三聚化柄的约束),在催化基序附近没有涉及带正电荷的表面补丁的接触,这表明不适合在此位置进行填充。因此,PmScsC的形成Δ连接体三聚体可能取决于三聚化茎之间形成的有利相互作用和催化域之间的不利相互作用的平衡。在较低浓度下,催化域之间的不利相互作用可能会覆盖有利相互作用,但在较高浓度下,随着更多分子紧密接触,热力学上可能更有利于三聚螺旋的疏水部分相互作用。催化结构域和三聚化茎相互作用之间的这种相互作用可以解释为什么PmScsC的低聚物状态Δ溶液中的连接物随蛋白质浓度的变化而变化。总的来说晶体结构和PmScsC的SAXS分析ΔLinker认为,11个氨基酸的连接体通过(i)充当三聚和催化结构域之间的间隔物,以形成稳定的三聚体,以及(ii)提供催化结构域之间必要的功能动力学和协同作用(Furlong等。, 2017【Furlong,E.J.、Lo,A.W.、Kurth,F.、Premkumar,L.、Totsika,M.、Achard,M.E.S.、Halili,M.A.、Heras,B.、Whitten,A.E.、Choudhury,H.G.、Schembri,M.A.和Martin,J.L.(2017)。自然通讯。816065。】).

从PmScsC中去除11-氨基酸柔性连接物对蛋白质活性的影响:与天然蛋白质不同,PmScsCΔLinker没有二硫键异构酶活性。PmScsC的结构表征ΔLinker揭示了这一结果的两个潜在原因。首先,在分析中使用的浓度(10µM(M), ∼0.2毫克毫升−1)大多数蛋白质可能是单体的(图8[链接]c(c))我们从PmScsC了解到ΔN变异体研究表明单体蛋白具有低蛋白二硫键异构酶活性(Furlong等。, 2017【Furlong,E.J.、Lo,A.W.、Kurth,F.、Premkumar,L.、Totsika,M.、Achard,M.E.S.、Halili,M.A.、Heras,B.、Whitten,A.E.、Choudhury,H.G.、Schembri,M.和Martin,J.L.(2017),《自然通讯》第8期,第16065页。】). 其次,即使有足够的三聚体PmSCsΔ解决方案中存在链接器晶体结构这表明,催化结构域之间的空间有限,无法与错误折叠的蛋白质底物结合,而二硫键可能无法被洗牌。有趣的是,PmScsCΔ在二硫醇氧化酶分析中,连接物是不活跃的。鉴于在本试验中测试的浓度下,蛋白质主要是单体(80n个M(M)或0.002毫克毫升−1; 图8[链接]c(c))我们预计,就像单体PmScsCΔN、 它具有氧化酶活性。对这一结果的一种解释是PmScsC的N端疏水区Δ链接器以某种方式阻断了单体PmScsC中可用的底物结合位点ΔN。

总的来说,我们对PmScsC的结构和功能进行了表征ΔN和PmScsCΔLinker为三聚二硫异构酶PmScsC独特结构特征的重要性提供了新的见解。我们证实了先前的假设,即二硫键异构酶与二硫醇氧化酶相似但有所区别,因为二硫键异构酶需要齐聚域和a催化域。我们进一步提出,PmScsC的柔性连接物不仅作为一种变形肽,而且作为一种间隔物,在催化结构域之间实现功能柔性,具有重要意义。我们认为,催化结构域之间的这种功能灵活性对于二硫异构酶PmScsC的协同酶活性是必要的。最后,更一般地说,我们发现从蛋白质中删除氨基酸可能会产生意想不到的后果。在这种情况下,删除灵活链接器意外地更改了齐聚蛋白质的动力学,即使直接参与三聚反应的区域保持完整。

支持信息


脚注

现住址:德国慕尼黑Arnulfstrasse 29,80636,Bristol-Myers Squibb。

§现住址:美国北卡罗来纳大学医学院微生物与免疫学系,北卡罗来那州教堂山,邮编27514。

致谢

我们感谢昆士兰大学显微镜和显微分析中心的远程操作结晶和X射线(UQ ROCX)设施的使用以及工作人员戈登·金和卡尔·拜里尔的支持。我们还感谢澳大利亚同步加速器MX和SAXS设施的使用,并感谢工作人员的支持。

资金筹措信息

这项工作得到了澳大利亚研究委员会桂冠奖学金(FL0992138 to JLM)、澳大利亚国家卫生和医学研究拨款(1099151 to JLMs)、澳大利亚政府研究培训计划津贴(给EJF)和分子生物科学研究促进奖研究所(给EJFs)的支持。

工具书类

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生物学
国际标准编号:2059-7983