疾病相关固有无序蛋白α-synuclein和p53结构与功能特性的计算机模拟研究

固有无序蛋白质（IDPs）是一类柔性非常大的非随机结构蛋白，这类蛋白具有重要生物学功能，通常与人类疾病密切相关。α-synuclein和p53蛋白就是两个重要固有无序蛋白，分别与帕金森病和肿瘤密切相关。为了刻画这类蛋白质的结构特征和功能特性，一方面，基于NMR实验数据，构建约束势能函数，发展约束分子动力学模拟方法，试图解决构象采样的收敛问题；另一方面，集成各种采样方法的优点,设计针对IDPs的集成高效率采样分子动力学模拟方案，结合同源建模、分子对接和复杂网络理论，通过大规模计算机模拟，研究α-synuclein和p53蛋白部分残基片段、蛋白质单体以及蛋白复合物的结构特征、构象变化、热力学和动力学性质，研究它们的关键残基、模拟环境、锌离子对其结构和热力学稳定性的影响。加深对这两种蛋白质体系深入、系统的认识，为从原子水平揭示帕金森病和肿瘤的致病机制、新药开发奠定理论基础。

该项目主要围绕着神经退行性疾病和肿瘤密切相关无序蛋白如alpha-synuclein和P53，利用分子动力学模拟技术，研究了无序蛋白的结构特征、构象变化、热力学和动力学性质，研究了实验数据(NMR数据)施加于模拟约束的方法。通过该项目的实施，发表期刊论文24篇，会议论文15篇，其中SCI收录21篇，EI收录4篇。按研究计划执行，圆满完成了研究任务，取得了一系列创新性成果。具体研究了（1）利用各种不同分子动力学模拟方法研究温度、pH值、分子力场及金属Cu2+对alpha-synuclein蛋白肽段在水溶液中结构特征的影响，并分析其构象转换机制； （2）残基突变对P53蛋白DNA结合域构象的影响以及N端残留结构特点；（3）利用NMR实验数据模拟研究了具有固有无序蛋白构象特征的蛋白中间态结构特征；（4）利用副本交换分子动力学模拟方法系统研究了不同分子力场、不同水模型、不同静电相互作用处理方法对prion蛋白109-122残基肽段（H1小肽）构象特征的影响；（5）同时对水通道四聚体蛋白进行了研究，构建了固有无序蛋白序列特征的几何序列分析方法等。研究表明，利用GROMOS 43A1及OPLS-AA力场，alpha-syn肽段在水溶液中均会形成beta-折叠片结构，turn在构象转变过程中最先形成；金属Cu2+均能促进其形成稳定的beta折叠片结构并增加疏水残基的溶剂暴露面积。单残基和二、三残基同时突变对P53结构的影响有明显差异；Abeta 12-28小肽即使在不同力场下都倾向于形成无序结构；结合NMR实验的分子动力学模拟可以很好的从原子层次刻画许多差异很大的构象集合组成的蛋白质中间态等。这一系列研究结果，一方面在原子层次对认识神经退行性疾病和肿瘤的致病理、开发新药物抑制剂提供理论基础；另一方面，对用计算方法揭示近年来国际上关注的固有无序蛋白质的构象特征和序列特征有重要科学意义。