多尺度模拟集成小角散射数据研究蛋白质构象变化的方法

Many multidomain proteins and protein complexes are very mobile, which involve large-scale conformational dynamics in solution. These kinds of proteins are difficult to study by high-resolution methods, such as X-ray crystallography and nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, due to their high flexibility and large size. Small-angle X-ray scattering (SAXS) is thus a complementary method to those high-resolution techniques, which provides low-resolution structural characterization of proteins in solution. Despite its low-resolution nature, information of protein dynamics is encoded within the one-dimensional SAXS profile. This project will develop advanced computational methods for multiscale simulations combining SAXS data, in order to investigate large-scale conformational changes in multidomain proteins and protein complexes. Various multiscale simulations at atomistic or coarse-grained level, together with enhanced sampling techniques, will be performed to extensively explore protein conformational space. SAXS data can be used to post-analyze the conformational ensemble generated by atomistic or coarse-grained simulations, and then determine the relative population of typical conformational states in the protein. It can also serve as a moderate constraint in these simulations to guide the conformational sampling. The above methods will be first validated by studying domain motions in bacteriophage T4 lysozyme. Then we will work on human vinculin and its complex with the tandem SH3 domains in the C-terminal region of CAP (c-Cb1 associated protein). In summary, integration of SAXS data with multiscale simulations will have the enhanced ability to study large-scale conformational changes in proteins, which will help us to further interpret protein function.

多结构域蛋白和蛋白复合物通常具有很大的柔性，存在着大尺度的构象变化，并与其生物学功能密切相关。X射线小角散射是近年来快速发展的结构生物学技术，它非常适合于研究高度柔性的多结构域蛋白和蛋白复合物，提供其在溶液中的低分辨率结构信息。本项目的研究重点是发展蛋白构象空间高效采样的多尺度模拟方法，并集成小角散射数据，分析蛋白在溶液中构象状态的分布及指导蛋白构象空间采样。通过模拟噬菌体T4溶菌酶的结构域运动对这些方法进行检验，进而研究人粘着斑蛋白vinculin及其与CAP蛋白羧基端串联SH3结构域所形成复合物的构象变化，显示方法的应用潜力并进一步完善。多尺度模拟集成小角散射数据使我们能更准确地模拟多结构域蛋白和蛋白复合物的大尺度构象变化，有助于深入探讨构象变化和蛋白功能的关系，从而推动计算机模拟在结构生物学中的应用。

多结构域蛋白质和蛋白质复合物通常具有很大的柔性，在溶液中存在着大尺度的构象变化，并与其生物学功能密切相关。X射线小角散射（small-angle X-ray scattering, SAXS）是近年来快速发展的结构生物学实验技术，它非常适合于研究高度柔性的多结构域蛋白质和蛋白质复合物，提供其在溶液中的低分辨率结构信息。近年来提出了“整合结构生物学”（integrative structural biology）的概念，即利用计算机模拟技术将生物大分子的高分辨率和低分辨率实验数据整合，获得其结构信息。本项目的主要研究内容是发展并应用多尺度模拟集成SAXS数据的方法，用于模拟多结构域蛋白质和蛋白质复合物的大尺度构象变化。在本项目的资助下，我们完成了下列研究：（1）发展了一种基于主成分分析的生物大分子构象空间采样方法；（2）发展了将amplified collective motion (ACM)增强采样技术和SAXS数据相结合研究多结构域蛋白质溶液构象的方法；（3）发展了一种有能效整合包括SAXS数据在内的各种低分辨率结构数据的生物大分子建模方法；（4）发展了一种整合SAXS数据，构建柔性生物大分子溶液构象系综的模拟方法；（5）应用全原子分子动力学模拟结合SAXS数据研究formin binding protein 21中由柔性linker连接的两个串联WW结构域的构象系综；（6）完成了一系列整合SAXS和其它实验数据，利用多尺度模拟（包括全原子、增强采样以及粗粒化模型，等等）构建生物大分子结构模型的工作。多尺度模拟集成SAXS数据能使我们更准确地模拟多结构域蛋白质和蛋白质复合物的大尺度构象变化，有助于深入探讨构象变化和蛋白质功能的关系。我们的研究将提升计算机模拟技术在结构生物学中的应用。