核糖体对新生肽链,蛋白质与蛋白质之间的相互反应对蛋白质的折叠影响的理论模拟研究

蛋白质的折叠,作为分子生物学中心法则最后一个尚未解决的重大生物问题,一直被列为"21世纪的生物物理学"的重要课题。细胞内蛋白质(包括新生肽链)的折叠是在非常复杂的环境中进行。例如,新生肽链的折叠是在其合成过程中同时进行,因此其折叠过程受到核糖体作用的影响。此外由于细胞内非常拥挤的环境, 蛋白质的折叠也受到临近其他蛋白质大分子的作用影响。而体外实验,由于实验条件的限制,不能如实地反映这些细胞内各种因素对蛋白质折叠的影响。而且迄今为止对细胞内蛋白质折叠的影响因素研究的重视程度还不够。在本项目中我们首次采用改良的分子动力学模拟方法模拟研究核糖体对新生肽链折叠以及蛋白质相互间的分子作用对蛋白质折叠的影响。通过本项目的研究工作,我们希望能够极大地扩展目前对蛋白质体内折叠的认知。

蛋白质的折叠以及蛋白质的结构稳定性受到很多因素的影响。例如蛋白质的"自组装学说"认为多肽链的氨基酸序列包含了形成其热力学上稳定的天然构象所必需的所有信息。然而现实中也存在很多蛋白质不能进行自我装配,它们形成正确的结构需要分子伴侣的协助。另外，细胞内复杂而拥挤的环境导致一个蛋白质的折叠不可避免地受到周围的其他蛋白质分子的干扰，即一个蛋白质分子的折叠不仅受到自身分子内的作用力驱使,同时也受到和其他蛋白质之间的分子间作用力的影响。新生肽链的折叠过程也受到核糖体的影响。另一方面，在溶液中蛋白质的结构也不是静态不变的，其稳定性受溶液环境的影响。事实上，在体外的蛋白质研究中通常用到多种有机分子与水的共溶液来改变蛋白质的溶液环境从而达到稳定或者变性蛋白质结构的目的。. 蛋白质的结构分析以及蛋白质折叠机理的研究有着非常重要的生物意义。因此深入了解各种外在因素对这两者的影响也就非常有必要。然而由于目前实验技术和理论模拟能力的限制，人们对这两方面的了解还不够深入。在本项目中，我们采用改良的分子动力学模拟方法分别模拟研究氨基酸序列、分子伴侣以及蛋白质-蛋白质之间的相互作用对蛋白质折叠和最终结构的影响。研究发现对α-螺旋结构的蛋白质，氨基酸序列的突变以及额外增加的蛋白质-蛋白质之间的相互作用没有对蛋白质的最终稳定结构以及折叠路径产生大的影响，显示了氨基酸序列决定的蛋白质结构有着很强的不可改变性。而对β-发夹结构的蛋白质，改变其β-转角部分的氨基酸序列导致了错误折叠的发生。这一部分的研究为蛋白质的结构预测及结构设计提供有效的帮助信息。外膜蛋白与分子伴侣Skp相互作用的研究首次定性地研究了外膜蛋白是如何进入到Skp的内部并被Skp保护的，对外膜蛋白和Skp的相互作用给出了合理的模型。新生肽链与核糖体的相互作用的研究由于模拟困难较大导致没有获得预期效果。另一方面我们也通过分子动力学模拟来研究多种有机分子与水的共溶液(包括包括离子液体、醇、胍盐及其混合溶液)对蛋白质的天然结构的影响，归纳总结有机共溶剂和蛋白质之间的分子作用力在蛋白质结构变化中的作用。在此基础上设计更有效的有机共溶剂以用于并促进蛋白质的实验研究。本项目的研究共发表SCI论文17篇。