转录相关天然无序蛋白结合折叠机制的理论探索

The binding and folding processes of protein associated with each other. The coupled binding and folding process of protein is accompanied with the change of structure and physiological activity. And this topic has been focused in the structural and functional research of proteins for many years. There are many hypothesis about the mechanism of the coupled binding and folding process. In experiments, it is difficult to present the detailed principle and mechanism of the interaction between proteins. However, the energy landscape theory has solved this problem at the residual and atomic level. In this project, transcriptional coactivator KIX and a variety of intrinsically disordered protein (IDP) are selected for research. We plan to study the coupled binding and folding process by using a variety of molecular dynamics methods. Based on the existed structure-base model, charges and long-range electrostatic interactions are introduced to our models. This project aims to construct the theoretical models of KIX systems and provides the mechanism of allosteric regulation and the effects of environment according to the results of molecular dynamics simulations. Additionally, this project can draw a detailed map of special residue sites for the coupled binding and folding process. Consequently, this study contributes to improving the understanding of the mechanism of ligands binding to target proteins, and providing effective clues for the investigations of structure and function of IDPs.

蛋白质的结合与折叠是相互联系与耦合的过程，这一过程伴随着蛋白质结构的变化与生理活性的改变，多年来一直是结构与功能的研究热点。对于蛋白质与配体结合的机制，目前已有多种假说。实验上无法给出蛋白质相互作用的具体原理与机制，而能量地貌理论的出现，从氨基酸和原子水平上解决了这一问题。本项目以转录辅因子KIX与多种固有无序蛋白IDP的复合物为研究对象，综合运用多种动力学模拟方法对蛋白与配体的结合与折叠过程进行系统研究。本项目旨在现有结构模型的基础之上，通过引入电荷与静电相互作用，建立KIX蛋白相关的理论模型，根据动力学模拟结果给出KIX别构作用机制以及环境因素的影响，并提出对结合过程起重要作用的氨基酸。本研究有利于完善对蛋白质与配体结合机制的认识，为固有无序蛋白IDP的结构与功能的研究提供有效的线索。

蛋白质的结合与折叠是相互联系与耦合的过程，这一过程伴随着蛋白质结构的变化与生理活性的改变，多年来一直是结构与功能的研究热点。天然无序蛋白的出现丰富了人们对蛋白质结构与功能关系的认识，同时也增加了实验上测量天然无序蛋白结合折叠机制的难度。实验上无法给出蛋白质相互作用的具体原理与机制，而能量地貌理论的出现，从氨基酸和原子水平上解决了这一问题。由于天然无序蛋白参与多类细胞识别调控以及复制转录过程，与多种疾病的发生发展密切相关，本项目综合运用多种不同尺度的动力学模拟方法对天然无序蛋白的结合与折叠过程进行系统研究，主要包括基于能量地貌理论分析天然无序蛋白结合与折叠过程热力学与动力学的多种关键性质与机制，以及能量地貌的形状与天然无序蛋白结合与折叠过程热力学与动力学性质的相关性。项目研究结果分三个主要方面，第一，对天然无序蛋白PUMA及其配体Mcl-1结合折叠过程的模拟表明盐浓度可以明显地影响天然无序蛋白的结合速率，较低的盐浓度使得静电相互作用增强，PUMA与Mcl-1之间的结合速率明显上升，同时模拟结果显示长程非天然静电相互作用在天然无序蛋白柔性结合过程中起至关重要的作用；第二，对BLVRB蛋白的实验与理论研究证明了关键位点的突变可以明显地改变蛋白的酶活性与热力学性质，即S111A和S111L突变使BLVRB蛋白的变性温度大大降低；第三，天然无序蛋白与受体蛋白的结合也会导致配体蛋白（PKA）由打开（open）态逐渐转变为闭合（closed）态，由此出发，通过对一系列受体蛋白打开态与闭合态之间转变过程的模拟计算，模拟结果证明了能量地貌拓扑特征参数Λ与这一过程了一系列热力学与动力学的特征参数，包括构象转变温度与玻璃态相变温度的比值，结构变化所需的时间等，具有较高的相关性。本研究有利于完善对蛋白质与配体结合机制的认识，为天然无序蛋白及其受体蛋白结构与功能的研究提供有效的线索。