检索历史 清除

摘要膜蛋白在能量转换、运输、信号识别、转导等基本生物过程中起着关键作用，膜蛋白生理功能的发挥离不开膜蛋白与各种分子的相互作用。由于膜蛋白所处环境的复杂性，在天然脂质环境中研究膜蛋白或膜蛋白与分子的相互作用是一项艰巨的任务。<br>　　常用的膜蛋白与分子的相互作用研究方法中，固体核磁共振技术（Solid-stateNuclearMagneticResonance，ssNMR）能够在天然环境中研究膜蛋白与底物的相互作用，它可以获得膜蛋白与分子结合的高分辨率的复合物结构和分子间相互作用的位点。然而，由于制备高质量ssNMR样品的困难以及ssNMR谱图信噪比和分辨率的限制，导致在应用时ssNMR往往具有局限性。分子动力学（MolecularDynamics，MD）模拟有助于膜蛋白结构和功能的阐述，它可用于研究时间和空间尺度的膜蛋白动态及构象动力学，不但可以与实验相互结合，而且还可以结合结构预测用来研究无法进行实验的体系。本文主要基于ssNMR结果，采用MD模拟对膜蛋白与三种类型典型分子（离子、小分子和蛋白）的相互作用机制进行探究。<br>　　在膜蛋白-离子相互作用中，选择水通道蛋白（Aquaporin，AQPs）和汞离子作为研究对象。采用ssNMR和MD模拟方法研究并揭示汞离子在水通道蛋白Z（AquaporinZ，AQPZ）抑制效果和水通道蛋白6（Aquaporin6，AQP6）激活效果的具体分子机制。首先根据ssNMR结果建立了Hg2+与AQPZ半胱氨酸残基结合后的半定量距离约束。随后采用MD模拟揭示汞离子影响的关键残基R189/R196氢键网络变化在两个水通道蛋白中的具体调节机制。基于这一研究我们初步建立膜蛋白-汞离子相互作用研究方法。为验证和完善该方法，将上述建立的方法进一步用于研究大鼠AQP6蛋白C155位点结合汞离子前后的变化。通过配位分析确定了与汞离子形成配位的残基种类，以及对α螺旋残基氢键网络的影响。最终确定了影响水通道的关键残基M160的构象变化。<br>　　在膜蛋白-药物小分子相互作用中，以大电导机械敏感通道蛋白（MechanosensitiveChannelofLargeConductance，MscL）为对象，结合MD模拟和ssNMR方法研究灿烂绿（BrilliantGreen，BG）小分子的跨膜转运机理。MD模拟研究了BG进入MscL通道的结合口袋和转运途径，并确定了BG分子在转运过程中结合的具体残基。ssNMR谱验证了这些结合位点。这一研究拓展了MD模拟和ssNMR方法在膜蛋白-药物小分子相互作用的应用。<br>　　在膜蛋白-蛋白相互作用中，以SARS-CoV-2刺突膜蛋白与宿主血管紧张素转换酶2（Angiotensin-ConvertingEnzyme2，ACE2）为对象，研究不同宿主ACE2与刺突蛋白间结合力差别。通过同源模建和MD模拟的方法构建了SARS-CoV-2受体结合区域（ReceptorBindingDomain，RBD）和ACE2的复合物。分子力学-广义波恩表面积（MolecularMechanics/GeneralisedBornSurfaceArea，MM/GBSA）和平均力势（PotentialofMeanForce，PMF）方法揭示了SARS-CoV-2与ACE2受体间的亲和力。能量分解确定了四个易感物种中ACE2受体的关键残基。同时发现，ACE2和RBD间重要的氢键相互作用网络分析可以弥补解析结构的不足。通过这一研究也进一步拓展了MD模拟研究方法在膜蛋白-蛋白体系的应用。<br>　　综上，通过上述三种膜蛋白与不同分子相互作用机制研究结果可知，MD模拟结合ssNMR在分子层面上系统的阐述膜蛋白与离子和小分子间的作用机理，同时还在缺乏实验数据的条件下对膜蛋白与蛋白的作用机理进行正确的探究。本研究也为其他更多种类的膜蛋白MD模拟研究提供了借鉴。