伴侣素(chaperonin,HSP60)是一类广泛存在的多亚基双环复合物,它能够帮助细胞内新生肽链或者变性肽链的折叠。根据其结构特点和序列同源性,伴侣素被分为两个亚家族(一型和二型)。一型伴侣素存在于细菌、线粒体和叶绿体中,二型伴侣素存在于古菌和真核生物的细胞质中。嗜热微生物来源的伴侣素分子能够在高温下维持自身的多聚体结构并且促进变性底物折叠。对嗜热微生物的伴侣素,这一超大分子复合物的功能循环过程的研究,有利于我们阐明嗜热微生物的嗜热机制,并且对于揭示真核生物来源的伴侣素分子的功能循环过程有重要的指导意义。古菌的二型伴侣素分子往往具有多种亚基组成的特性,了解亚基各自的结构和功能有利于我们深入了解原始生命体蛋白质折叠体系的特点,从而对生命体最基本的生命过程--蛋白质折叠有更加深入的了解。　　 腾冲嗜酸热两面菌(Acidianus tengchongensis)是分离自云南腾冲热泉的嗜酸嗜热古菌,其最适生长温度为70℃,最适pH为2-3。将该菌来源的伴侣素蛋白的α亚基和β亚基分别在大肠杆菌(Eschrichia coli)中重组表达,通过体外聚合构建了两种伴侣素分子同聚体ATcpnα、ATcpnβ以及一种异聚体ATcpnαβ。通过晶体结构解析、冷冻电镜观察以及生理生化实验,我们研究了同聚体和异聚体的结构、功能以及生化特性。　　 同聚体ATcpnβ具有有限的分子伴侣活性。ATcpnβ能够提高某些常温底物的热稳定性(如酵母乙醇脱氢酶),抑制热变性过程中底物的聚集(如猪心线粒体柠檬酸盐合酶),但是不能够促进强酸或化学变性剂处理下完全变性的肽链在稀释后的复性(如EGFP和嗜热苹果酸脱氢酶)。我们获得了ATcpnβ的晶体结构,分辨率为3.8(A)。这是首个被解析的二型伴侣素蛋白开放型的晶体结构,并且该结构呈九次对称性。通过构建ATcpnβ顶端结构域疏水性增强的突变体,发现其底物亲和力增强。我们认为古菌二型伴侣素蛋白与底物的亲和与一型伴侣素蛋白类似,仍然依赖于疏水相互作用。冷冻电镜观察表明ATP对伴侣素分子的结合但不水解不能导致ATcpnβ从开放构型转变为闭合构型,但是表面等离子共振实验表明Mg2+/ATP与伴侣素分子结合可以使得伴侣素捕获已经变性聚集的多肽链,并且能够增强伴侣素分子对盐酸胍处理下完全舒展的肽链再折叠复性中间体的亲和力。　　 通过对同聚体ATcpnα的结构研究,我们发现与ATcpnβ不同,该聚合体呈八次对称的结构。并且冷冻电镜观察和结构解析表明ATcpnα亚基的顶端结构域相互作用,使得底物入口比ATcpnβ小。该结构构象很好地解释了为什么ATcpnα不能捕获～67kD的嗜热苹果酸脱氢酶的折叠中间体。　　 体外重构的含有两种伴侣素亚基α和β的异聚体ATcpnαβ,它的ATPase活性明显提高,并且在常温和高温条件下都能够发挥ATP依赖的促进嗜热苹果酸脱氢酶再折叠的作用。两种亚基结构域相互替换的嵌合体的考马斯亮蓝非变性凝胶电泳(Blue-native-PAGE)、冷冻电镜观察以及活性测定实验表明,β亚基赤道结构域的相互作用是维系多聚体结构的关键因素,而当α亚基顶端结构域在聚合体中处于松散的空间中时具有柔性,中间结构域的走向决定了亚基间顶端结构域的相互作用,并且影响整个伴侣素分子的紧密程度。两种亚基的结构差异和协同性使得异聚体比同聚体更稳定且活性更高。　　 通过异聚体和同聚体的活性比较以及对该古菌天然伴侣素蛋白的考马斯亮蓝非变性凝胶电泳分析,我们认为天然伴侣素分子是以异聚体形式存在的。该古菌伴侣素蛋白的两种亚基具有不同的结构和功能特性,在协同作用下发挥活性功能。所以我们认为多亚基的存在有重要的生物学意义而非功能冗余。