SCOPUS
SCIE
Application of millisecond time-resolved solid state NMR to the kinetics and mechanism of melittin self-assembly
저자
Jeon, Jaekyun ; Thurber, Kent R. ; Ghirlando, Rodolfo ; Yau, Wai-Ming ; Tycko, Robert
발행기관
학술지명
PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE UNITED STATES OF AMERICA -
권호사항
발행연도
2019
작성언어
-주제어
등재정보
SCOPUS,SCIE
자료형태
학술저널
수록면
16717-16722(6쪽)
제공처
<P><B>Significance</B></P><P>Many biological processes involve major changes in the structures and assembly states of proteins and other biopolymers. This paper describes an approach to characterizing such processes with millisecond time resolution, based on rapid mixing to prepare an initial structural state, rapid freezing to trap intermediate states, and low-temperature solid-state NMR (enhanced by dynamic nuclear polarization) to probe the structure at successive time points. Results of experiments on melittin, a peptide from bee venom, show that melittin adopts a helical conformation and forms antiparallel dimers on the same timescale (6 to 9 ms). Full structural order within melittin tetramers develops more slowly (roughly 60 ms).</P><P>Common experimental approaches for characterizing structural conversion processes such as protein folding and self-assembly do not report on all aspects of the evolution from an initial state to the final state. Here, we demonstrate an approach that is based on rapid mixing, freeze-trapping, and low-temperature solid-state NMR (ssNMR) with signal enhancements from dynamic nuclear polarization (DNP). Experiments on the folding and tetramerization of the 26-residue peptide melittin following a rapid pH jump show that multiple aspects of molecular structure can be followed with millisecond time resolution, including secondary structure at specific isotopically labeled sites, intramolecular and intermolecular contacts between specific pairs of labeled residues, and overall structural order. DNP-enhanced ssNMR data reveal that conversion of conformationally disordered melittin monomers at low pH to α-helical conformations at neutral pH occurs on nearly the same timescale as formation of antiparallel melittin dimers, about 6 to 9 ms for 0.3 mM melittin at 24 °C in aqueous solution containing 20% (vol/vol) glycerol and 75 mM sodium phosphate. Although stopped-flow fluorescence data suggest that melittin tetramers form quickly after dimerization, ssNMR spectra show that full structural order within melittin tetramers develops more slowly, in ∼60 ms. Time-resolved ssNMR is likely to find many applications to biomolecular structural conversion processes, including early stages of amyloid formation, viral capsid formation, and protein–protein recognition.</P>
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