基于PDB卷曲库研究蛋白残基作用对其结构折叠稳定以及识别结合作用的影响

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蛋白质结构中残基间相互作用对其折叠稳定形成以及配基识别结合的内在关联机制一直是结构生物学的研究重点。分子动力学研究该问题的难点主要体现在构象采样的充分有效性与力场参数的准确性。链球菌G蛋白的B1结构域(GB1)结构典型折叠迅速是探索蛋白折叠/解折叠机制的理想模型,本文首先借鉴原子力显微镜(AFM)拉伸实验技术提升构象采样效率开展拉伸分子动力学(MD)实验对其野生型G蛋白(GB1)从天然折叠态到完全伸展去折叠态的折叠/去折叠转变过程进行系统构象采样,通过对该蛋白的逐步拉伸并进行80组累计4.0-μs的MD计算,得到从伸展变性态到天然折叠态形成过程中的10个关键中间态(I1-I10)和6个过渡态(TS1-TS6)构象,其非两态的框架折叠/去折叠机制与已有的实验和计算结果相一致。拉伸MD构象的充分采样发现并得到了许多新的重要折叠事件,该蛋白的折叠起始于三个关键β-转角(T1,T2和T3),其三个二级结构(碳端β-发夹(HPC)、α-螺旋(HEM)和氮端β-发夹(HPN)串联形成且其折叠事件存在交叉,而其三级疏水核心结构最后形成。非天然接触在早期折叠阶段发挥重要作用,三级天然接触形成较早且随着二级结构单元的增长而增加,这些二级结构的形成在很大程度上决定了三级天然接触的形成。G蛋白(GB1)碳端β-发夹(HPC)最早开始折叠形成且其β-转角(T3)上关键氢键作用(V39→A34,G38→A34和G38→N35)促使该折叠核形成开始组装,该氢键作用也了促进α-螺旋(HEM)从其碳端组装并增加二级结构单元稳定性。然后采用基于PDB卷曲库优化得到的RSFF2+力场对野生型G蛋白(GB1)及其三个不同长度肽段(Pep1-40,Pep9-50和Pep21-56)的结构折叠稳定性进行MD计算,进一步研究G蛋白上各个二级结构单元及其各自相互作用对其三级天然态结构折叠稳定性的影响机制。结果表明:碳端β-发夹(HPC)内部形成的氢键稳定性比氮端β-发夹(HPN)的氢键稳定性高;α-螺旋(HEM)的碳端稳定性比其氮端稳定性高;碳端β-发夹和氮端β-发夹的折叠机制存在差异,前者符合拉链外向(Zip-out)机制,后者符合拉链内向(Zip-in)机制。最后,通过模拟计算与实验相结合的方法对二点委夜蛾(Athetis lepigone M(?)schler)信息素结合蛋白Alep PBP3与农药辛硫磷结合动态过程中的相互作用进行分析,结果表明非极性热点残基所形成的疏水相互作用是蛋白质-配体复合物结合亲和力的主要驱动力,这些热点残基(Phe12和Ile134)对Alep PBP3蛋白和辛硫磷药物结合稳定过程发挥至关重要的作用,这与G蛋白天然态三级疏水核心结构折叠驱动力一致,该研究结果为针对昆虫嗅觉靶标OBP为靶点关键靶点开发高选择性、环境友好型的害虫行为调节剂提供新的科学依据。
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