Mapping the energy landscape for second-stage folding of a single membrane protein

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作者
Duyoung Min,Jefferson Roberts,James U. Bowie,Tae‐Young Yoon
出处
期刊:Nature Chemical Biology [Springer Nature]
卷期号:11 (12): 981-987 被引量:79
标识
DOI:10.1038/nchembio.1939
摘要

Single-molecule experiments reveal the unfolding and refolding landscape of the rhomboid protease GlpG in a native-like lipid membrane. GlpG unravels cooperatively in a single step and has a large unfolding barrier, making for a long-lived folded state. Membrane proteins are designed to fold and function in a lipid membrane, yet folding experiments within a native membrane environment are challenging to design. Here we show that single-molecule forced unfolding experiments can be adapted to study helical membrane protein folding under native-like bicelle conditions. Applying force using magnetic tweezers, we find that a transmembrane helix protein, Escherichia coli rhomboid protease GlpG, unfolds in a highly cooperative manner, largely unraveling as one physical unit in response to mechanical tension above 25 pN. Considerable hysteresis is observed, with refolding occurring only at forces below 5 pN. Characterizing the energy landscape reveals only modest thermodynamic stability (ΔG = 6.5 kBT) but a large unfolding barrier (21.3 kBT) that can maintain the protein in a folded state for long periods of time (t1/2 ∼3.5 h). The observed energy landscape may have evolved to limit the existence of troublesome partially unfolded states and impart rigidity to the structure.
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