ABC转运体蛋白转运机理的分子模拟研究

本项目以ABC（ATP-binding Cassette）转运体蛋白为对象，结合简振模式分析(normal mode analysis)，目标分子动力学模拟(Targeted Molecular dynamics)，导向分子动力学模拟(Steered Molecular Dynamics)等理论方法，研究ABC转运体在底物转运过程中的构像变化动力学，侧链相互作用，核苷分子、底物与转运体的相互作用等性质。阐释ABC转运体中ATP的水解与跨膜结构域(TMD)的底物转运之间的构像耦合关系，核苷分子和底物对转运体蛋白构像变化的影响，从而揭示转运过程的分子机制。通过对五种输入体(BtuCD,HI1470/1,ModBC,MetNI,MalFGK2)和二种输出体蛋白(Sav1866,MsbA)转运机理的比较研究，给出ABC转运体转运机制的完整图像。

本项目综合运用多层次，多尺度的分子模拟方法，对转运体蛋白家族的多个ABC转运体和RND转运体的构象变化动力学和转运机制进行了系统的研究。在对II型ABC输入体蛋白BtuCD的研究中，我们通过简正模式分析分别研究了BtuCD处于不同构象状态时的构象柔性，揭示了结构域之间的构象运动耦合关系。同时通过目标分子动力学模拟研究了转运循环中构象变化的时空次序。发现核苷结合结构域的打开是转运底物进入细胞的触发机制，跨膜区构象转换过程中底物转运通道外侧首先关闭，经过一个两端闭合的中间状态，这一构象变化次序解释了BtuCD有效防止底物反向扩散的机制。对I型ABC输入体，麦芽糖输入体MalFGK的分子动力学模拟研究发现ATP和底物结合蛋白MalE均能促使麦芽糖输入体面向内构象向面向外构象的转变，为解释实验研究中相互矛盾的现象提供了线索。对甲硫氨酸输入体MetNI的模拟研究发现了底物甲硫氨酸的结合使蛋白构象运动受限，核苷结合结构域难以达到双聚闭合状态，揭示了MetNI底物转运抑制的微观机制。运用目标分子动力学模拟考察了ABC输出体蛋白MsbA由面向外到面向内构象变化的过程，揭示了构象变化的时空次序以及MsbA输出体单向运输底物的分子机制，发现NBD区域保守的x-loop对稳定跨膜区细胞内侧的四螺旋束结构起关键作用。在对RND家族转运体复合物AcrAB-TolC的研究中，构建了复合物结构模型，运用正则模式分析揭示了复合物中各部分的构象运动耦合关联，阐明了AcrB三聚体形式对功能的重要意义。对转运复合物中AcrA的分子动力学模拟研究解释了pH对构象运动调控的微观机制。通过平均力势的计算，给出了不同底物通过TolC通道的自由能变化曲线，发现TolC的转运机制是底物依赖的，TolC蛋白的构象变化以及底物和TolC的相互作用是决定底物转运自由能的主要因素。本项目t通过结合不同层次的计算模拟方法，克服了传统分子动力学模拟在描述大范围构象变化时的困难，对多个转运体蛋白的构象变化和功能关系进行了有益的探索，增进了人们对转运体蛋白转运功能的微观机理的认识。共发表SCI论文12篇。