基于噬菌体尾突蛋白和O抗原弱相互作用的特异性识别分子模拟研究

Specific recognition of carbohydrates with proteins is essential for many vital processes in biology, such as cell-cell recognition and immune response. Despite the ubiquitous importance of these processes, their underlying molecular details are poorly understood. As a consequence of the incredible diversity of carbohydrates and the weak affinity between proteins and carbohydrates, it is a general challenge for both experimentalists and theorists to investigate the protein-carbohydrate complex. For the example of Shigella flexneri O-antigen polysaccharides, which can be specifically recognized by the bacteriophage tailspike protein, in our recent work we have been able to suggest the binding modes of longer fragments through molecular simulation. Within this project we will investigate the molecular mechanism of weak-affinity specific recognition between tailspike protein and O-antigen fragments by means of state-of-the-art molecular simulation techniques. We aim to explain the origins of differences in specificity of recognition based on the conformational diversity of the carbohydrates with different length and serotypes. This study will suggest a general strategy for investigating molecular details of protein-carbohydrates (with repeating units) complex, which sheds light on design of carbohydrate-based vaccines.

蛋白质与糖的特异性识别在生命体的信息传递、免疫应答等过程中均发挥关键作用，而目前的研究深度和进展却远未达到人们根据其重要性所作出的预期。由于糖的结构复杂程度远远高于蛋白质等其它生物分子，且蛋白质与糖的相互作用相对较弱，这对现有实验方法和计算机模拟策略设计来说是巨大挑战。从分子尺度理解糖链全局结构与蛋白质-糖相互作用的关系是理解特异性识别的关键。我们在前期工作中选取噬菌体尾突蛋白与单一血清型O抗原片段为研究对象，运用分子动力学模拟方法，对针对糖分子的特定力场参数和系统研究策略进行探索，成功对糖链长度的研究范围作了一定拓展。本项目拟基于前期研究基础，构建系列不同链长、不同血清型O抗原的全原子模型，从糖结构出发解释蛋白–糖这种弱相互作用模式下的特异性识别机理，解释糖分子链长和支链修饰对特异性识别的影响，为蛋白–糖复合物研究提供普适性策略，为相关多糖疫苗设计研发提供关键思路。

蛋白质与配体的特异性识别在生命体的信息传递、免疫应答等过程中均发挥关键作用。基于结构的受体配体特异性识别，特别是弱相互作用调控的分子机制研究因此显得尤其重要。尤其针对结构较为复杂的糖类分子和具有多手性中心的药物分子来说，基于现有实验方法设计合理计算机模拟策略进行结合是研究这类体系的有效方案。本项目主旨为研究基于弱相互作用的蛋白配体选择性识别分子机制，并选取三类模型体系开展研究。首先构建系列不同链长及血清型O抗原的全原子模型，从糖结构出发解释蛋白–糖这种弱相互作用模式下的识别机理，描述其支链修饰对于全局主链构象的有限影响，证明其受体配体识别的构象选择过程，并据此构建快速准确的粗粒度方法的策略，为后续的糖链高级结构分析打下方法学基础。二是采用类似计算机模拟策略选择具有多手性中心的药物分子异构体的选择性研究，并结合质谱分析技术，通过配体结合的能量差异分析，为质谱分离对映异构体的方法研究提供了新的思路。三是选择了DNA甲基转移酶家族的活性位点结构非常接近的两个亚型及其具有明确选择性的配体复合物，并结合蛋白活性和亲和力实验验证。运用伞形采样方法研究了选择性抑制剂从蛋白活性口袋解离的过程，结合自由能计算结果与实验IC50吻合，同时发现了结合口袋中的一些关键氨基酸残基，对于影响配体的选择性识别起关键作用。基于上述三个模型体系的研究，我们得出结论：针对基于弱相互作用的受体配体特异性识别，其关键影响因素来源于受体配体结构的本征动力学，识别过程遵循构象选择机制。这为后续相关药物的设计与分析研究提供重要理论基础。