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两类重要蛋白的分子动力学模拟及蛋白质对接方法的研究

孟烜宇  
【摘要】:随着计算机技术的迅速发展以及计算方法的不断进步,计算机分子模拟技术广泛应用于科学研究领域,已经成为与实验、形式理论并驾的科学发现的三大支柱。在计算生物方面,利用同源模建、分子对接、分子动力学等方法,可以由蛋白质一级序列构建蛋白质三维结构,研究蛋白质催化机理及功能等等。利用这些方法,本论文主要进行了三个方面的计算研究,结果分别总结如下。 1.细胞色素家族酶系成员的同源模建及分子对接研究 小鼠的两种细胞色素酶CYP2C38和CYP2C39序列同源性高达91.8%,但是两者的底物特异性不同。我们以人类的CYP2C8的晶体结构(PDB:1PQ2)为模板,利用同源模建和分子动力学方法,构建了CYP2C38和CYP2C39的三维结构。在此基础上,将底物甲苯磺丁脲和全反式维生素A酸(atRA)分别与两种酶对接。甲苯磺丁脲是两者共同的底物,它在两种酶的活性位点具有不同取向;计算结果与CYP2C39具有更大的相互作用能,这与实验上CYP2C39比CYP2C38具有更高的催化效率相一致。atRA只被CYP2C39的催化,通过比较对接得到的atRA-CYP2C38以及atRA-CYP2C39复合物三维结构,我们推测了atRA不被CYP2C38催化的原因可能是CYP2C38的的活性中心体积小于CYP2C39;另一个可能的原因是CYP2C38中Phe237的空阻效应。另外,分子对接结果表明Arg241, Glu300, Leu366及Leu476是甲苯磺丁脲、atRA与酶的结合产生重要影响的关键残基。 我们对人体的CYP3A4酶进行了与药物分子SPD-304,扎鲁司特和L-745,870对接研究。对接结果表明三个药物分子都与CYP3A4在其活性位点稳定结合。SPD-304在经过CYP3A4代谢时会产生致毒的亲电中间体,对接实验结果支持这个中间体的产生是由吲哚环上的3-亚甲基碳原子上的氢被血红素铁吸收为起始的;在复合物SPD-304-CYP3A4中,三个芳香环(SPD-304的吲哚环,苯并吡喃以及血红素的卟啉环)的叠合稳定了SPD-304在活性口袋的构象。同时促使3-亚甲基碳原子位于与血红素铁可反应的距离内。对于扎鲁司特,依据计算,其3-亚甲基碳原子也是潜在的去氢化反应位点。L-745,870-CYP3A4的三维结构表明L-745,870极有可能被CYP3A4在3-亚甲基碳原子位点催化去氢,与SPD-304近似;因此,CYP3A4对L-745,870代谢的影响值得深入研究。CYP3A4酶中的苯丙氨酸簇,包括F108, F213, F215,F304,以及S119,R212,都对三个药物配体与酶的结合起到重要作用。 2.基于布朗动力学模拟的蛋白-蛋白对接方法的研究 我们发展了一种基于布朗动力学模拟的蛋白-蛋白对接方法用于预测蛋白质复合物三维结构。方法分三步进行:1)基于布朗动力学模拟的全局采样;2)紧密结合的复合物筛选;3)局部能量最小化。新发展的层状格点力场用于表示配体蛋白及溶剂化效应,引入软势模拟考虑蛋白柔性。层状格点力场的比传统的六面体格点力场节省计算内存,从而当不知道蛋白质的结合位点时,使全局采样具有可行性。我们用这种方法对一组包含24个复合物晶体结构的测试组以及7个CAPRI竞赛体系进行了对接试验,从而系统的评估这种方法。对24个结构的重对接的实验结果表明所有预测的复合物三维结构与晶体结构之间的均方根差(RMSD)都小于2?;对于CAPRI的目标结构,布朗动力学算法可以全部采样出接近真实结构的构象;其中六个结构被准确预测,正确构象排序在300以内。这个结果证明此方法可用于预测蛋白-蛋白复合物的三维结构。 3.内向整流型钾离子通道的分子动力学模拟研究 磷脂酰肌醇4,5二磷酸(PIP_2)与内向整流型钾离子(Kir)通道的相互作用与通道的门控机制密切相关。2007结晶得到的Kir3.1嵌合体的三维结构包括constricted和dilated两种构象,分别具有闭合及打开的G-loop门控。我们以此晶体结构为出发点,对下述三个体系分别进行了100ns的分子动力学模拟:1)Kir3.1嵌合体constricted构象;2)Kir3.1嵌合体constricted构象+PIP_2; 3)Kir3.1嵌合体dilated构象+PIP_2。模拟结果表明当PIP_2分子存在时,Kir通道的G-loop门控才能够打开并稳定在打开的状态。G-loop的打开过程伴随着通道细胞膜内部分由latched构象向unlatched构象的转变,且这一转变是由PIP_2引发的。constricted+PIP_2表现出一系列中间态的特征将constricted体系与dilated+PIP_2体系联系起来。基于三个体系的氨基酸残基作用网络的统计分析,我们提出了PIP_2打开G-loop门控的可能的机理:在没有PIP_2作用时,通道的N-端稳定非活性状态的CD-loop构象,CD-loop与G-loop的联系较为松散,闭合的G-loop构象由保守盐桥E304-R313所稳定,此时为latched构象;当PIP_2与通道结合后,首先与N-端的R52形成盐桥,从而重新定位N-端,促使N-端与CD-loop的作用减弱,同时使G-loop直接与N-端通过氢键作用发生联系;CD-loop在与Slide Helix、N-端作用减弱后,发生构象变化,从而远离N-端,而加强与G-loop的联系;这一构象变化破坏了G-loop与N-端的作用,G-loop在CD-loop的稳定下,由闭合转向打开,盐桥R304-R313作用减弱;此时的N-端失去了与CD-loop和G-loop的作用,转而与相邻亚基的βM形成平行的β片层,即unlatched构像;之后CD-loop上的R219被PIP_2吸引,进一步稳定了活性状态下的CD-loop,从而有利于稳定处于打开状态的G-loop构象。这是首次提出PIP_2诱导打开G-loop门控的分子机理,已有的许多实验数据都符合这一机理。


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