基于多尺度分子动力学模拟和网络模型的ABC转运蛋白变构机制的研究

Allosteric modulation plays a basic role for the function exertion of ABC transporters. Investigations on the allosteric mechanism have aroused wide concern due to their close relation to multidrug resistance and some other important physiological processes. The aim of this project is to develop effective theoritical methods, based on the multiscale molecular dynamics simulations，elastic network model and complex network model, to study the allosteric mechanisms for the representative ABC transporter systems. The following subjects will be studied. Using multiscale molecular dynamics simulations with the membrane environment and cholesterol considered, we will study the response process of different parts of the ABC transporter to the allosteric signal, and allosteric coupling between them and reveal the microscopic mechanisms behind the response differences.Besides that,We will construct the elastic network model with amino acid sequence and membrane enviroment considered to investigate how the large-scale allosteric motion of NBD is triggered by the perturbation of substrates on the local region in ABC transporters. Meanwhile, a method based on the thermodynamical cycle will be proposed for identifying the key residues involved in ABC transporter allostery, in which substrates and detailed structural changes are explicitly considered in the method. Moreover, we will construct the iteration method of elastic network model and mutiscale molecular dynamics simulations, to simulate the allosteric pathway. In addition, a weighted residue network will be built with conserved residues as nodes and dynamical cross-correlations between residues as weights for analyzing and identifying key residues and allosteric signal transduction pathways. Based on these, we will explore the correlations between the allosteric movement and the system's topology and inherent movement patterns. These above intestigations are helpful for our understanding the allosteric mechanism of ABC transporters.

变构调节是ABC转运蛋白发挥生物学功能的基础，因其与肿瘤多药耐药等重要生理过程密切相关，所以对其变构机制的研究引起了广泛关注。项目基于多尺度分子动力学模拟、弹性网络和复杂网络模型，建立和发展有效的分析方法，针对代表性ABC转运体系研究其变构机制。包括：利用多尺度分子动力学方法，考虑膜环境及胆固醇，研究体系各部分对底物结合的响应和其间的耦合动力学，揭示响应差异背后的微观机制。构建考虑氨基酸序列和膜环境的弹性网络模型，研究底物引起的局部结构的扰动如何导致NBD大幅度变构；发展显含考虑底物和具体变构的基于热力学循环的方法，识别体系变构关键残基；建立迭代使用弹性网络模型和多尺度分子动力学的方法，模拟变构路径。搭建由保守残基构成的加权网络，权重体现残基间动力学相关性，识别变构关键残基及信号传递通路。探讨导致体系变构异同的结构和动力学微观机制，加深对ABC转运蛋白功能性变构机理的理解。

变构调节是ABC转运蛋白，一类膜整合蛋白，实现将多种底物分子进行逆浓度梯度跨膜转运生物学功能的基础。建立了自适应各向异性网络模型方法，用低频功能性运动模式牵引变构前后的两个结构向中间状态过渡，模拟体系变构路径。用该方法研究了具有多药耐药的转运蛋白MsbA，和大肠杆菌透性酶系统中一个极其重要的细胞外液底物专一性蛋白GlnBP的变构机制，发现核苷结合区(NBD)的扭转运动对跨膜区(TMD)螺旋的重排和其在周质侧的正确打开起到了关键作用(很大程度上由体系的拓扑结构决定)，从新的视角加深了对转运变构机制的理解。建立了基于弹性网络模型的微扰方法，考虑并区分了不同强度的相互作用，成功识别了GlnBP及麦芽糖转运蛋白MBP-MalFGK2中，耦合配体转运和功能性变构的关键残基，探讨了NBD与TMD及各部分间介导长程变构信号的关键位点的作用，揭示了ABC转运蛋白发挥功能的物理机制，为蛋白质功能改造和药物设计提供有价值的信息。建立了加权氨基酸复杂网络模型，权重依据弹性网络模型方法获得的残基间运动相关性来设定，提出了通过依次去掉网络中的节点并评价其对整个网络特征路径的影响，来识别对蛋白质变构信号传递起关键作用的位点。该方法用于与肿瘤多药耐药有关的人P-glycoprotein上，获得了有意义的结果。为进一步在原子水平上研究其药物外排和构象恢复机制(还有I和II型，及BCRP和变构机制)，采用全原子MD模拟方法, 考虑膜及溶剂等环境，研究了体系在两个过程中的构象转变，从动力学及能量角度洞察了NBD与TMD的偶联，发现了对跨膜区结构重排起关键作用的能量因素，合理解释了目前两个重要的交联和突变实验现象；进化分析发现，跨膜螺旋中保守的带电残基对螺旋胞质侧的开闭发挥重要作用。建立了用二面角互信息来评价残基运动偶联的方法，结合网络动力学分析成功用于腺苷A2A受体变构信号传导路径的研究。通过完成该基金项目，发表国内外核心期刊论文13篇，其中SCI收录11篇，发明专利授权5项；出版专著《蛋白质模拟—原理、发展和应用》(科学出版社)；获北京工业大学优秀硕士学位论文奖，研究生科技创新奖共8项；课题组谭建军老师2017年晋升为教授；负责人获国家留学基金项目，于2015.4-2016.4在美国密歇根大学计算医学与生物信息学系张阳教授实验室做访问学者；负责人2015年评为博士生导师，同年入选校京华人才计划。