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蛋白质折叠的全原子非连续分子动力学模拟

罗钟琳  
【摘要】: 蛋白质折叠是当前科学研究的一个热点,随着各类基因工程的开展和人类基因组计划的完成,对蛋白质的结构、功能以及它的病变机制的理解就变得更加迫切。目前,计算机模拟成了一种重要的理论或“计算机实验”方法。蛋白质是一种生物高分子,它是由20种氨基酸排列组合而成的线性链,不同的排列组合就形成了不同的蛋白质。蛋白质折叠的问题也就是一类特殊的高分子如何从一个舒展的无规线团变为相对紧致并有序的具有特定三维高级结构的链球的过程。 基于经验势能函数的全原子分子动力学模拟(MD)方法虽然精细,但计算速度比较缓慢。高度粗粒化的简单模型通常只用一个粒子代表整个氨基酸,完全忽略了不同氨基酸侧链的体积差别,只能对一些折叠基本规律进行研究。事实上已有证据表明:利用复杂的相互作用势,简易模型仍不能给出与全原子模型相同的折叠路径。此外,许多实验证据发现,侧链的堆积有时是蛋白质能够稳定的关键所在。因此,我们采用一种介于简易模型和全原子经验作用势复杂模型之间的模型。模型把所有重原子和极性H原子包括进去,但是原子间的相互作用势却用简单的方势阱来代表。模型有完整的氨基酸侧链,所以能准确地描述蛋白质折叠过程中侧链的排除体积效应;而方势阱能极大地减少计算机运行的时间。方势阱作用势比较准确地描述了Van der Waals和氢键相互作用力。我们也称该模型为全原子模型。模型将用不连续分子动力学(Discontinuous Molecular Dynamics,DMD)的方法来模拟。相比蒙特卡罗模拟(MC)方法,使用DMD方法将使我们能够得到相对精细的蛋白质天然结构和相对准确的从无序线性链自动折叠成蛋白质三维结构的动态过程。我们的DMD方法采用Gō模型的强制性相互作用对。 蛋白质折叠的动力学机制历来是蛋白质折叠的核心问题之一。在折叠态和解折叠态之间存在着转变态系综。快速折叠的两态蛋白质为研究转变态提供了良好的模型。与α螺旋折叠相关的机理研究得比较透彻,一般认为先是单个螺旋的成核.增长过程,而后螺旋间的相互作用使蛋白折叠成天然结构。而β发夹的折叠机理仍然很有争议,因为β发夹的折叠和稳定性更取决于长程的疏水相互作用和氢键。蛋白质折叠在水环境中进行,显含处理溶质分子周围的溶剂水分子,在模拟中需要耗费大量的计算资源;因此各种隐含溶剂的方法得到发展。尽管针对普通MD模拟的溶剂化模型已经比较完善,但那些基于连续势能的溶剂模型并不能直接用于DMD模拟。 本论文以具有三股反平行的β-sheet组成的小蛋白Pin1 WW domain为主要研究对象,较为详细地研究了它的折叠热力学和动力学,以及运动过程中遵循的折叠机理。论文的另一个方面尝试建立适合DMD模拟的隐式溶剂模型。 本博士论文的主要创新性贡献可以分为以下4个部分: 1.采用全原子DMD模拟以及Gō相互作用能,我们详细研究了Pin1 WWdomain—由三股反平行的β-sheet组成的蛋白在不同温度下的折叠热力学和动力学。在转变温度附近,热容峰、能量分布和自由能的考察表明,蛋白质从无规线团到天然态的转变是两态过程,我们的模拟与实验测定的结果一致。我们还首次发现,此蛋白在低温和高温的折叠过程遵从不同的择优路径。在低温时我们预测到中间体的存在,这个低温动力学中间体具有已经形成的β2-β3发夹结构;在转变温度时,折叠与解折叠是一个可逆过程,且β1-β2发夹先形成;在更高温的解折叠研究中,先解开β2-β3发夹是择优路径。模拟的结果与实验和其他报道进行了比较。我们的模拟表明考虑支链堆积效应的全原子Gō模型能合理地预测特定蛋白的折叠路径。 2.本博士论文不仅解释了对于含有多于一个β-发夹的蛋白质在不同温度具有不同的折叠路径,还探讨了其中每个β-发夹的折叠机理。我们证实,文献中提出的解释单个β-发夹折叠机理的turn zipper模型和hydrophobic collapse模型同样能很好地解释具有两个发夹的Pin1 WW domain中单个发夹的折叠机理。模拟结果表明,Pin1 WW domain中单个发夹的折叠机理与谁先形成谁后形成无关,先形成的发夹也不会影响后一个发夹折叠的机理,但折叠强烈地受到温度的限制。β1-β2发夹在低温时遵循turn zipper机理,即turn区域的残基先折叠,从turn区域顺序形成的氢键拉动整条β-sheet折叠;在高温时遵循hydrophobic collapse机理,末端的疏水残基先形成并稳定而使整条β-sheet形成。β2-β3无论在高温还是低温,折叠都符合turn zipper机理。连接β1-β2的loop 1比连接β2-β3的loop 2要长得多(前者6个残基,后者4个残基)。本论文进一步采用熵(loop长度)和焓(相互作用的稳定性)的相互竞争解释了上述折叠机理的温度依赖性。 3.近十年来,折叠概率P_(fold)≈0.5已经成为计算机模拟中捕捉蛋白质折叠转变态系综的标准而现代的方法。我们根据实践中采用P方法所遇到的种种困难以及所造成的工作延误,开始怀疑这个黄金标准可能不仅具有十分耗费计算机机时的缺点,也未必象部分国际权威教授所述具备理论上的严格性。不久发现,也有个别学者重新强调以天然接触分数Q为反应坐标在判断具有光滑能量地貌的蛋白质转变态时未必不如P方法有效,却明显节约机时。为仔细评价P_(fold),我们以两态蛋白Pin1 WW domain的DMD模拟为例,将P判据与其它数种可能的判据进行了比较。用“P”,“Q”和“R”等各种方法得到的转变态系综的结果彼此基本一致且与已有实验结果相符。通过对于模拟结果的分析,并结合非对称自由能面的“理想实验”,我们首次指出P_(fold)≈0.5不是严格的判据,此时对应转变态的P_(fold)的精确值很难预计。因此,本博士论文首次鲜明地对于P判据这个所谓的黄金标准给出了不具备严格性的质疑,并提出了基于联合Q和轨道最佳平面投影(坐标R1和R2)的三维坐标显示的Q-R-plot方法的判据。最后我们将目前所有判断转变态的依据进行了新的分类。 4.DMD方法虽然具有模拟效率高(耗费机时少)的显著优点,但却不能使用已有的隐式溶剂模型;而使用隐式溶剂模型在许多模拟中是很有用处的,对于MC等方法也是比较容易做到的。本博士论文还尝试构建了一个适用于非连续势能的隐式溶剂模型,并以64-mer均聚物为例在给定溶质粒子-粒子相互作用但改变溶质.溶剂作用下进行检验。为符合DMD运动的特点,我们将溶剂看成虚拟的粒子。某个特定溶质粒子的溶剂可及概率用溶质粒子周围可容纳虚拟溶剂粒子的概率来表示。改良的溶质粒子-粒子方势阱相互作用将考虑溶剂-溶质作用能和溶质粒子可及概率两个因素。随着溶质-溶剂相互作用的改变,单个大分子存在coil-globule转变和液-固转变。我们发现柔性均聚物链在极良溶剂条件且在低温下的coil-globule转变出现一级相转变的特征。新的溶剂模型保持了DMD方法高效的计算速度,可用于聚合物和蛋白质等的研究。我们还指出隐式溶剂模型用于DMD在严格性上仍然存在一定缺陷,需要加以注意。


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