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研究目的:体育活动和大脑之间存在动态的、双向的相互关系。运动促进脑健康的机制可能在于神经生长因子、免疫因子和应激激素以及很多信号蛋白,例如神经元钙传感蛋白(NCS-1)。大量研究表明,体育运动能够促进大脑认知功能。神经元钙传感蛋白通过运动干预调节特定的认知过程,是体育运动对认知功能产生积极影响的途径之一。NCS-1蛋白也是调控动物对温度变化做出相应反应的重要因素之一。温度升高NCS-1蛋白能够抑制线虫运动,其中的详细细节和微观机制并不清楚。本文以温度升高时神经元钙传感蛋白抑制运动为着眼点,对人类NCS-1蛋白在溶液环境微小改变(包括温度改变和NaCl浓度改变)以及自身局部结构改变(截去C端尾部L3和单一氨基酸R102Q突变)引起蛋白结构及其构象动力学的变化进行了研究,从原子-分子水平探索神经元钙传感蛋白在温度升高时抑制运动的分子机制,揭示不同情况下NCS-1蛋白的动力学过程及引起蛋白结构变化的关键因素,为今后的系统研究奠定理论基础。研究方法:本文采用全原子分子动力学模拟的方法,采用GROMACS 4.5.3程序包和CHARMM27力场,盒子采用截面十二面体,蛋白居于盒子中央,离盒子边缘的距离是1.0 nm;水分子采用CHARMM27力场推荐的显式水溶剂模型(TIP3P),在溶液中加入0.1 M/0.3 M的NaCl,使溶液呈电中性。能量优化采用最速下降法,最小力取经验值1000(kJ/mol/nm),能量优化结束时均达到这一设定值。温度耦合采用速度调节法,压强耦合采用Parrinello-Rahman,耦合常数分别是0.1 ps和1.0 ps,温度保持在310 K/316 K,压强保持在1 bar,整个体系保持等温等压。NCS-1蛋白和水分子内的键长分别用LINCS和SETTLE算法加以约束,约束步数为25000,时间为50 ps,取相对较大的MD积分步长(2 fs)。库伦类型采用Particle mesh Ewald(PME),计算静电相互作用的截断半径cut-off=1.0nm,计算范德瓦尔斯作用的截断半径cut-off=1.4 nm。研究结果:(1)人类NCS-1蛋白对溶液温度敏感。温度升高,虽然神经元钙传感蛋白的二级结构保持完整,但整个蛋白结构膨胀,蛋白表面的自由能改变。L3从蜷缩状态转为伸展状态,更多的占据疏水口袋,可能会遮挡住疏水口袋内的结合位点,阻碍其与配体结合,影响蛋白功能的正常发挥。温度升高,蛋白C端尾部L3的起始氨基酸D176和末端氨基酸V190之间的次联系路径削减严重;动态网络中,N段和C段之间氨基酸的联系减弱,但两段内部氨基酸的联系加强;温度升高减少了盐桥的数量,尤其减少了C段盐桥的数量和百分比,可能会引起蛋白构象动力学的改变。(2)神经元钙传感蛋白对NaCl浓度的微小改变也极其敏感。溶液NaCl浓度升高,神经元钙传感蛋白的二级结构保持完整,但导致蛋白整体结构和疏水口袋同时膨胀;L3蜷缩在疏水口袋中,暴露出疏水口袋内部更多的结合位点,L3首尾氨基酸D176和V190之间的联系路径削减严重;N段和C段之间氨基酸的联系明显减弱,但两者内部氨基酸的联系加强;盐桥数量和百分比明显减少,尤其是C段盐桥数量和百分比减少明显。结果表明,溶液中NaCl浓度的微小改变导致氨基酸与氨基酸之间的联系及其路径和盐桥的改变,可能是NCS-1蛋白构象变化的主要原因。(3)人类NCS-1蛋白野生型和截去C端尾部L3突变体进行500 ns的动力学模拟结果显示,NCS-1Δ176-190突变体与野生型蛋白的二级结构非常相似,但导致蛋白C段和远端N段的柔性提高;截去C端尾部L3明显削弱N段和C段之间氨基酸的联系,加强两段内部氨基酸的联系;明显改变了C段的盐桥网络;导致蛋白整体结构和疏水口袋同时膨胀,疏水口袋完全暴露于水溶液,可能影响蛋白与配体的结合。本文从原子水平上提供了L3对NCS-1蛋白结构完整和构象动力学起重要作用的细节。(4)R102Q突变降低了L2和L3的柔性;使L3处于伸展状态,更多的占据疏水口袋;明显影响了N段和C段之间的盐桥;改变了蛋白表面的自由能。R102Q突变导致的盐桥改变可能对L2和L3柔性的降低起到重要作用。这些结果表明,盐桥对NCS-1蛋白的结构特性具有重要的作用,R102Q突变导致C端尾部动力学降低,L3占据更多的疏水口袋,可能会阻碍蛋白与配体的结合,为与R102Q突变有关的自闭症疾病提供原子水平的解释。研究结论:(1)人类神经元钙传感蛋白对溶液中温度升高和NaCl浓度的微小改变都极其敏感,溶液中温度升高和NaCl浓度的微小变化导致的氨基酸与氨基酸之间的联系和盐桥的改变可能是引起蛋白构象变化的关键因素,L3和疏水口袋的位置关系是影响蛋白功能发挥的主要原因。(2)温度升高,L3挡住疏水口袋内的结合位点,影响蛋白功能的正常发挥,从而导致运动减慢,可能对机体起到保护作用,使机体不受高温伤害。(3)截去L3的蛋白能够保持较好的二级结构、不同程度增加的柔性以及更加暴露的疏水口袋,可能更有利于配体的结合,表明突变体蛋白的功能活性。(4)为恢复R102Q突变体的功能提供一种可能的建议,即增加C端尾部的柔性,从而允许蛋白与其配体相互作用,发挥功能。