融合型及可控开关型蛋白质分子变构机制的分子动力学模拟研究

Study on protein allosteric switch, which are applied to the fields of biology, biotechnology and medicine, raised great interest and attention. Understanding the swith mechanism is helpful for the design of artificial protein switch, such as biological image reconstructors, biosensors and therapeutic agents. Based on our privious studies, this project inclued the study of allosteric process and mechanism for the representative fusion and controllable-switch proteins using normal/targeted molecular dynamics simulations and quantum chemistry calculations. The allosteric processes involved the procedures of specific mutation allostery, ligand-bound allostery and fusion-induced allostery. The selection and optimization of allosteric coordinates during the complex allosteric processes in targeted molecular dynamics simulations will be also investigated in this proposal. We also want to address the allosteric characteristics of secondary/tertiary protein structures, and free energy changes during the variouse allosteric processes. These studies will be helpful for extensively understanding protein allosteric-swith mechanisms, and provide valuable theoretical informations for the development of protein application engineering.

蛋白变构及开关转换的研究在生物学、生物工程以及医学领域受到了广泛的兴趣和关注。了解这些变构转换的机理，可用于设计人工蛋白开关，包括生物显像、生物传感器、治疗药剂等。本项目在申请者初步研究的基础上，采用常规及目标分子动力学模拟方法结合量子化学计算方法，研究一些具有代表性的融合及可控开关蛋白质分子的变构过程及机制，其中包括突变特异性变构，配体结合诱导变构及融合诱导变构过程。研究在目标动力学模拟计算中复杂变构过程变构坐标的选择及优化。探究变构过程中变构蛋白的二级及三级结构变化特征及带有不同变构模式的蛋白质变构过程中自由能变化的规律。由此获得对蛋白变构开关机理的深入理解，为蛋白质应用工程的发展提供有价值的理论依据。

蛋白变构及开关转换是指蛋白通过接受包括共价修饰(如磷酸化、肽链骨架分裂或分子识别)在内的输入信号而进行某种特定构象变化的现象。它可引导出多种生物反应，如调节酶活性，使蛋白的表面暴露以与其它分子相互作用等输出反应，从而在生物学、生物工程及医学领域引起广泛兴趣和关注。本课题重点研究了突变特异性变构、配体结合诱导变构和融合诱导变构等蛋白质分子的变构过程及机制，从中探讨变构蛋白的结构互换、结构域卷曲扩展的特征以及因变构等因素对于酶催化反应的影响。..四年来，采用密度泛函理论、常规分子动力学CMD和目标分子动力学TMD模拟及密度泛函重点研究了相关体系并获得很有意义的结果和观点：1）二级结构折叠对GL5/I27蛋白互斥折叠过程的影响在于客体蛋白I27二级结构的形成是主体蛋白GL5伸展的主要驱动力；2）链球菌中重要蛋白G上的两个域GA和GB的构象转变研究揭示了单突变及多突变GA和GB异型蛋白对的构型转换机理，确定了引发转换过程中的残基作用传递网络及转变自由能差异；3）生物钟蛋白CLOCK和BMAL1与DNA的识别表明：CLOCK和BMAL1蛋白的bHLH结构域形成的异源及BMAL1蛋白的bHLH结构域形成的同源二聚体分别以矩形及对角线型碱基识别模式与DNA结合，且以“螺旋-剪刀手”绑定DNA时，两蛋白bHLH结构域间的结合能会减弱；4）将TMD与伞状取样相结合用于绒毛蛋白头部域展开过程的自由能变化研究，计算的平均力势PMF曲线与其他的计算及实验结果相吻合，这为构象转变过程的能量计算提供了一种便捷有效的方法；5）探索具有多功能开关的酶AceK催化ATP水解过程，发现其具有高ATP水解活性且遵循解离型机制，反应生成了作为质子受体的ADP以完成其磷酸酶的功能。与底物ICDH结合导致催化ATP水解重要的残基Asp477翻转并抑制ATP酶活性，从而有利于蛋白显示激酶或磷酸酶活性；6）研究了3',3'-cGAMP核糖开关在无配体、同源配体(如3',3'-cGAMP )和非同源配体(如c-di-GMP和c-di-AMP) 诱导下的变构特征和配体识别的特异性。此外，还研究了配体如锰过氧化氢酶及吡啶双磺胺和联吡啶配体在催化反应中的机制，部分研究还在进行中。