単結晶の形でヘモグロビンアロステリック遷移をキャプチャする

多くのオリゴマータンパク質におけるアロステリーは、主にアロステリックタンパク質のすべての最も徹底的に研究されているヘモグロビンの構造と機能に関する知識に基づいて、主に緊張（T）から弛緩状態（R）状態へのリガンド結合駆動の立体構造遷移を介して発生すると仮定されています。しかし、増え続ける証拠は、ヘモグロビンが2つの端状態の間にさまざまな中間体を持っていることを示唆しています。そのような中間形態は、動的平衡状態の最終状態と共存し、従来の技術によって個別に特徴付けられないため、その特性と機能についてはほとんど知られていません。ここでは、X線回折分析と微小栄養測定O2平衡測定の新しい組み合わせを使用して、3つの異性結晶で3つの異なる等式結晶を捕捉するX線回折O2平衡測定の新しい組み合わせを使用して、半リガンドおよび完全なリガンド状態におけるヒトヘモグロビンの9つの平衡配置の完全な構造的および機能的スナップショットを提示します。特に、この結晶フォームの立体構造セットは、ヘモグロビン結紮状態と結晶化溶液条件の違いを反映して、アロステリック平衡のシフトによって異なります。9つのスナップショット構造は、TからR2（2番目の緩和された四級構造）までのヘモグロビンの完全な立体構造空間をカバーし、RとR2の間のさまざまなリラックス中間型を備えています。さらに、数十年にわたって多くの研究グループが求めている中間O2親和性を備えたTとRの間に、以前は正体不明の中間配座異性体が見つかります。これらの発見は、ヒトヘモグロビンの平衡配座異性体と遷移経路の包括的な絵を明らかにしています。

Allostery in many oligomeric proteins has been postulated to occur via a ligand-binding-driven conformational transition from the tense (T) to relaxed (R) state, largely on the basis of the knowledge of the structure and function of hemoglobin, the most thoroughly studied of all allosteric proteins. However, a growing body of evidence suggests that hemoglobin possesses a variety of intermediates between the two end states. As such intermediate forms coexist with the end states in dynamic equilibrium and cannot be individually characterized by conventional techniques, very little is known about their properties and functions. Here we present complete structural and functional snapshots of nine equilibrium conformers of human hemoglobin in the half-liganded and fully liganded states by using a novel combination of X-ray diffraction analysis and microspectrophotometric O2 equilibrium measurements on three isomorphous crystals, each capturing three distinct equilibrium conformers. Notably, the conformational set of this crystal form varies according to shifts in the allosteric equilibrium, reflecting the differences in hemoglobin ligation state and crystallization solution conditions. We find that nine snapshot structures cover the complete conformational space of hemoglobin, ranging from T to R2 (the second relaxed quaternary structure) through R, with various relaxed intermediate forms between R and R2. Moreover, we find a previously unidentified intermediate conformer, between T and R, with an intermediate O2 affinity, sought by many research groups over a period of decades. These findings reveal a comprehensive picture of the equilibrium conformers and transition pathway for human hemoglobin.