高分辨率弛豫测量稳态分析新方法：蛋白质动力学研究的有效工具

本文提出了一种分析高分辨率弛豫测量（relaxometry）数据的稳态新方法，通过简化酰胺15N-1H自旋系统的弛豫矩阵计算，避免了复杂的随机刘维尔方程（SLE）全程数值积分。该方法在 ubiquitin 和 ribonuclease HI 蛋白实验验证中与 MINOTAUR 软件结果高度一致，为生物大分子构象动力学研究提供了高效分析工具。

Theory

研究的自旋系统包含一个酰胺¹H-¹⁵N基团和n个远程¹H自旋。其随机刘维尔方程（Stochastic Liouville Equation）为：

dM(t)/dt = -R(M(t) - M⁰)

其中M(t)是包含<>_z>(t)、<>_z>(t)、<2N_zH_z>(t)及远程自旋算符的向量，M⁰为对应平衡值。弛豫矩阵R可划分为块矩阵结构，包含R_1N、S、W等子矩阵，其中W进一步包含A、C、Z等子块，分别描述酰胺质子、氮核及远程质子的弛豫与交叉弛豫过程。

Materials and methods

NMR样品制备：¹⁵N标记的人源ubiquitin和E. coliribonuclease HI通过BL21(DE3)细胞在最小培养基中表达，经色谱纯化后溶于特定缓冲液用于弛豫测量。

弛豫测量：采用场循环技术，在1T至~9T低场测量¹⁵N R₁，并在475/700/900 MHz高场补充R₁、R₂及{¹H}-¹⁵N NOE数据。

Results

理论计算显示，在5、10、50 ns旋转相关时间下，¹⁵N磁化强度在高低场穿梭过程中的损失与基于矩阵指数逐步计算的结果一致（图2）。稳态方法分析的ubiquitin和ribonuclease HI弛豫数据与MINOTAUR结果高度吻合。

Discussion and conclusion

稳态方法与MINOTAUR及ModelFree分析结果高度一致：ubiquitin的τ_c均值分别为3.91±0.14 ns（MINOTAUR）和4.18±0.24 ns（稳态法）；ribonuclease HI的τ_c均值为9.55±0.40 ns（MINOTAUR）、9.39±0.38 ns（ModelFree）和9.29±0.46 ns（稳态法）。该方法为弛豫测量数据提供了高效分析方案。