外膜蛋白组装复合体（Bam）结构与功能的综合计算研究

Hetero-oligomeric membrane protein complexes carry out transport of specific molecules and signals across cell membranes(walls), and are targetted by many drugs on the market and in the development. Structural assymetry of these systems and the difficulty in solving high resolution structures for complete complexes severely impeding our mechanistic understanding of them. Consequently, the current knowledge on the structure and function of these systems is far away from matching their importance in biomedical sciences. Many outer membrane proteins (OMPs) assembled by the Bam(Beta barrel assembly machinery)complex are critical in physiology, pathogenesis and drug resistance of gram-negative bacteria, therefore, understanding the mechanism of OMP assembly by Bam is of great significance in development of next generation antibiotics in particular, and in advancing our knowledge of hetero-oligomeric membrane protein complexes in general. In this study, we plan to first carry out detailed conformational analysis for important comprising proteins that have high resolution experimental structures (BamA,B,D,E) available. With the help of the experimental data restraints, important conformers obtained for comprising proteins will be utilized to propose structural model for the complex based upon extensive docking studies. Furthermore, new predictions will be made regarding specific residues involved in protein-protein interactions and validated by the Bernstein group, our experimental collaborator. The feedback from experimental validation (or disprovement) will be used to improve our structural model for Bam complex. Finally, interactions among Bam complex, chaperone SurA and substrate EspP and OmpT will be investigated to evaluate major current hypotheses of Bam mechanisms and to develop new mechanistic insights. All the knowledge will be combined to propose a complete functional model of the Bam complex with structural details.

杂聚膜蛋白复合体承担着细胞内外特定物质输运和信号传导的功能，也是众多现有药物和新药开发的靶点。由于它们结构不对称的特点和高精度结构实验解析的困难，人们对其结构及功能的了解远远不能和它们在生物医药科学中的重要性匹配。由外膜蛋白组装复合体BAM组装的很多外膜蛋白都与细菌的生理、致病和抗药性有着紧密联系，理清其工作机理对开发新一代抗生素有重要意义。本研究将以Bam组成蛋白的高精度实验结构为基础，对它们的构象空间进行详细的分析，结合现有组成蛋白间相互作用的实验数据，通过基于构象组的蛋白对接建立该复合体的结构模型，提出并且由合作方实验验证特定的蛋白质相互作用位点和关键构象变化，在此基础上进一步完善结构模型，研究该复合体和底物EspP、OmpT及分子伴侣SurA之间的相互作用，对目前假设的各种Bam工作机理进行评价，揭示其完成外膜蛋白组装尚未被发现的可能机理，提出比较完整的Bam功能模型。

外膜蛋白组装复合体（Bam）的生物学在迅速的发展，最近研究表明Bam除了负责组装普通的外模beta桶蛋白（OMP）以外，也参与到外膜脂蛋白和自运输蛋白（autotransporters）的组装过程。在自然科学基金面上项目31270758的资助下，我们对Bam复合体组成蛋白BamA，B，C，D and E 进行了大规模的分子动力学模拟并产生了多微秒级的全原子轨迹。我们对复合体的核心蛋白BamA也进行了超过十微秒的粗粒化分子动力学模拟。BamA的主成分分析显示了该蛋白的五个PORTRA结构域可能的几种运动模式，其中的部分和实验观察到的BamA的构象变化定性一致。基于此，我们进行了基于模拟系宗的对接研究，以这些对接设计的实验结果为阴性，也和2016年发表的Bam复合体的结构不一致，我们的诸多努力也没有能够实现由组分蛋白对接构建动态复合体的目标。在这些挫折下，我们转而对目前的自由能计算方法进行了仔细的反思，在对多个蛋白质分子大规模分子动力学轨迹的总结下，我们对复杂分子体系的自由能计算在理论上提出了通过构象空间离散化和惯序蒙特卡洛重要性采样对构象空间中任意两个区域统计权重进行高效比较的算法，该算法同目前所有严谨自由能算法的区别是不要求参与对比的区域在构象空间中分别严格连续。另外，目前的蛋白质分子的预测性算法（对接，折叠和设计）中，由于对蛋白质内部自由度关联理解的局限而不能充分利用这些关联提高预测的起点。我们首先对人们广泛用来表征关联的线性相关和非线性相关进行了定量比较。通过对多个蛋白质大规模分子动力学轨迹的分析，我们发现长距离相关主要以非线性贡献为主，引起非线性相关的分子运动主要是二面角扭转状态的改变。另外扭转自由度的三阶关联即使在二级结构以内也非常重要。我们将以这些原始创新理论为基础，开发下一代高效可靠的蛋白质分子结构与构象变化预测算法，进一步阐明Bam 体系在不同生物学功能中的分子机理，同时也为分子生物学，新药开发等领域提供广泛的便利。