大肠杆菌化学趋向性分子机制研究

化学趋向性是一种重要的细胞生物功能，与人体的发育、感染以及癌细胞的转移等密切相关。本项目拟以原核模式生物大肠杆菌为对象，综合应用理论计算、生物化学/生物物理化学实验和微流控实验研究大肠杆菌化学趋向性的分子机制。将着重研究大肠杆菌化学趋向性受体Tar所介导的趋化运动分子机制，利用分子对接计算方法筛选可能与Tar受体结合的化学分子，用等温滴定量热方法测定受体周质区与这些化学分子的结合常数，再用专门设计的微流控芯片测定大肠杆菌对于这些分子的化学趋向性，运用分子动力学模拟和正则模式分析研究具有不同趋向性作用化合物与Tar受体结合后所引起的构象变化，在此基础上建立Tar受体构象变化与不同化学趋向性响应关系的模型。该项目研究将有助于我们了解细胞化学趋向性的分子机制，为化学趋向性拮抗剂的设计提供理论基础，同时也将为具有新型化学趋向性的细菌设计提供基础。

化学趋向性是各类原核生物、真核细胞或者多细胞生物根据环境中化学物质的浓度梯度进行有向运动的现象，对于细菌在复杂环境中的生存尤为重要。作为研究细胞内信号转导分子机制的模型体系，细菌的化学趋向性受到广泛关注。趋化受体是感应环境中特定的受体因子并将信号传递给胞内下游组分的一类膜蛋白。设计趋化受体使细菌具有新的趋向专一性和功能具有重要的应用价值。但由于目前对于趋化因子与趋化受体结合后激发趋化信号的分子机制并不清楚，给趋化受体专一性的带来了巨大挑战。本项目以原核模式生物大肠杆菌为对象，综合应用理论计算、生物化学/生物物理化学实验和微流控实验研究了大肠杆菌化学趋向性的分子机制，发展了蛋白质别构位点的预测方法，为化学趋化受体的理性设计提供了理论基础。 . 首次采用基于结构的计算筛选与实验相结合的方法，发现了大肠杆菌趋化受体Tar的全新受体因子引诱剂和拮抗剂。其中第一次发现的 Tar 受体拮抗剂为设计能够抑制病原菌趋向性的抗菌剂提供了新思路。通过比较拮抗剂与引诱剂与趋化受体的结合模式，发现了受体因子激发趋化信号的关键相互作用，在此基础上成功地进行了趋化受体的理性设计。进一步用分子动力学模拟和结合自由能分析揭示了引诱剂与拮抗剂分子所引起的大肠杆菌化学趋向性受体Tar的不同构象变化，发现Tar受体两个单体间的相互转动以及单体中4号螺旋的上下滑动是密切相关的：引诱剂分子会引起4号螺旋的向下滑动同时两个单体间会相对转动，而拮抗剂的结合则会同时减弱这两种运动。从而解决了有关化学趋向性受体信号传导机理长期存在的“滑动”与“剪刀”两种模型的争议。综上研究提出了细菌化学趋向性受体因子激发趋化信号的分子模型。. 大肠杆菌化学趋向性研究中不同化合物引起不同信号是一种典型的生物体系别构调控现象。别构调控是生物体系调节生物分子活性的重要手段，了解其调控机理不仅有助于加深对于生物体系分子机制的认识，而且可以在此基础上发现新的调控药物。目前已知的别构位点大多是通过实验筛选得到的，尚没有通用的、准确性高的别构位点预测方法。我们发展了两种别构位点预测方法，用于发现新的别构位点与别构化合物，为探讨别构机制提供化合物探针，相关预测方法已经在多个蛋白质体系中得到成功应用。. 项目在研期间发表SCI收录文章10篇，主持人多次受邀在相关国际会议上做邀请报告，培养博士研究生5名。