蛋白质-蛋白质结合对SARS-CoV RBD、SARS-CoV-2RBD和人类ACE2的动力学与热力学影响

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严重急性呼吸综合症冠状病毒(severe acute respiratory syndrome coronavirus;SARS-Co V)和严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2(SARS-Co V-2)分别出现于2002和2019年且均属于高传染性和高致病性的冠状病毒。SARS-Co V和SARS-Co V-2都通过受体结合域(receptor binding domain;RBD)与人类宿主细胞血管紧张素转换酶2(angiotensin-converting enzyme 2;ACE2)的结合实现对细胞的侵染。为了探究蛋白质-蛋白质结合对SARS-Co V RBD(RBDCo V)、SARS-Co V-2 RBD(RBDCo V-2)和人类ACE2的动力学与热力学行为影响,我们以自由态(free)的RBDCo V、free RBDCo V-2和free ACE2以及RBDCo V-ACE2和RBDCo V-2-ACE2复合物结构作为研究对象,在多副本分子动力学(molecular dynamics;MD)模拟的基础上进行了动力学参数分析、主成分分析以及自由能谱的重构和比较分析。结果显示:(1)与free RBDCo V-2相比,free RBDCo V具有更低的结构波动和热稳定性、更高的全局构象柔性、更大的构象熵和更丰富的构象多样性;(2)尽管ACE2的结合增加了两个RBDs的结构波动和热稳定性并减少了它们的构象熵,但bound RBDCo V仍比bound RBDCo V-2具有更高的结构波动和热稳定性、更高的全局构象柔性和更大的构象熵;(3)ACE2结合对RBDCo V比对RBDCo V-2在结构波动和构象柔性上抑制作用更为明显,同时,ACE2的结合还使得RBDCo V-2稳定在两个不同的构象状态;(4)4种不同类型RBDs(即free RBDCo V-2、free RBDCo V、bound RBDCo V和bound RBDCo V-2)最主要运动模式的差异主要体现在RBM(receptor binding motif)子环区(残基472-488)和结构core外周区域的运动方向和波动幅度上,这些差异很可能与两个RBDs之间的结构稳定性差异及其与ACE2的结合亲和性差异有关;(5)尽管两个RBDs对ACE2的结合都能够抑制ACE2结构波动和结构可变性,但RBDCo V-2的抑制作用更为明显;(6)free ACE2具有三个能量上稳定的状态,其中两个为底物结合沟闭合态,一个为底物结合沟张开态,具有最低自由能的优势状态为其中一个底物沟闭合态;(7)尽管两个RBDs对ACE2的结合使得底物沟张开态成为ACE2的唯一优势状态,RBDCo V-2比RBDCo V表现出更强的促底物沟张开能力。RBDCo V因更强的构象柔性和更丰富的构象多样性则很可能通过构象选择或诱导契合方式识别并结合ACE2,而RBDCo V-2因其更强的构象刚性和更差的结构可变性则通过锁-钥方式结合ACE2。由于锁-钥方式比构象选择和诱导契合具有更高的结合效率,加之RBDCo V-2与ACE2间更高的结合亲和性,这或许能够解释为什么SARS-Co V-2比SARS-Co V具有更高的传播力。free ACE2因底物沟闭合态和张开态的平衡共存而能通过构象选择方式完成对底物的识别和结合。RBDs结合所导致的ACE2唯一的底物沟张开态不仅能够提高ACE2的底物广泛性,同时还能增加ACE2对不同底物的结合效率,这很可能会扰乱ACE2对不同底物的时空选择并导致心血管调节机能的失调,与COVID-19相关的心血管症状有关。本研究揭示了蛋白质-蛋白质结合对RBDCo V、RBDCo V-2和人类ACE2的动力学和热学行为的影响,研究结果不仅为两个SARS病毒传播力差异提供了新见解,同时还有助于促进对RBD-ACE2结合机制和SARS病毒致病机制的理解。
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