PD-1蛋白与其配体相互作用的分子动力学模拟及其机制研究

Programmed cell death protein 1 (PD-1) mediates inhibitory signals on lymphocyte activation by forming the complex with its ligands PD-L1 and/or PD-L2, thereby PD-1 plays a negatively role to immune response. Blockade of PD-1 binding to its ligand can effectively enhance immune response, for which purpose a study of the interaction mechanism between PD-1 and its ligands has scientific virtues. In the project, we manage to apply molecular dynamics simulation, together with homology modelling, in silico mutagenesis and molecular docking to target the goals: 1, to study molecular properties of PD-1, PD-L1 and PD-L2; 2, to analyze the conformational changes of the complexes during the simulation; 3, to quantitate the residues, hydrogen bonds which are involved in the ligand-binding process; 4, to elucidate the binding mechanism of PD-1 and its ligands. With the assistance of computational models, we plan to express a few of PD-1 mutants and then test the binding affinities (Kd) of those mutants by using surface plasma resonance (SPR). Based on the experimental data, in silico models are to be improved and the proposed molecular interaction mechanism will be further optimized.

程序性细胞死亡蛋白1(PD-1)通过与其配体PD-L1、PD-L2的结合而抑制淋巴细胞的活化，进而负调控免疫应答。阻断PD-1与其配体的结合能够有效的增强免疫反应，因而研究PD-1与其配体相互作用的机制意义重大。本课题以蛋白晶体结构为模板，通过同源建模和计算机辅助全突变方法构建PD-1和其突变体的3D结构，应用分子对接方法建立完整PD-1/PD-L复合物的高级结构模型。使用分子动力学模拟方法研究PD-1和其配体在不同状态下的物理化学特性，并在原子水平研究PD-1/PD-L复合物的动态作用模式、构象变化趋势、氢键和各种生物力等情况。在分子模拟指导下，表达若干PD-1突变体并通过表面等离子共振（SPR）方法测量突变体和其配体结合的Kd值，进而优化分子模拟参数，经过多轮循环（分子模拟+实验验证），建立PD-1/PD-L复合物的相互作用模型，阐释该复合物互作的分子机制。

程序性细胞死亡蛋白1(PD-1)通过与其配体PD-L1、PD-L2的结合而抑制淋巴细胞的活化，进而负调控免疫应答。阻断PD-1与其配体的结合能够有效的增强免疫反应，因而研究PD-1与其配体相互作用的机制意义重大。本项目的研究手段包括生物计算方法如分子动力学模拟、计算机辅助全突变、MM/PBSA结合能计算方法，和生物实验验证方法如微量热泳动技术（MST）和流式细胞等手段研究PD-1的分子互作模式。本课题现完成的工作内容包括：1：构建四个PD-1的模拟体系（人apoPD-1, 人PD-1/PD-L1复合物, 小鼠apoPD-1，小鼠PD-1/PD-L1复合物），通过分子动力学模拟方法研究PD-1在不同状态下的物理化学特性以及构象变化模式，并分析了PD-1与其配体的互作模式。2：确定氨基酸残基对复合物结合能贡献的重要性排名。3：设计出一系列能够影响复合物结合的PD-1突变体。4：通过实验验证获得5个高亲和突变体。综上所述，本研究所构建的互作模型得到突变体实验验证，在一定程度可以用于PD-1/PD-L1的互作研究，同时高亲和突变体的确定为PD-1通路的阻断剂研发提供了前期基础。该研究成果发表SCI论文一篇，其高亲和突变体申请专利一项。协助培养硕士生3名，其中2人取得硕士学位。项目投入经费24万元，支出14.444万元，剩余经费9.555万元，剩余经费计划用于PD-1高亲和突变体的后续功能研究。