脂肽类PamnCSK4分子的自组装结构及与Toll样受体蛋白结合的特异性

The research on the biological functions of Toll-like receptors in the activation of innate immune response has been awarded the Nobel Prize in Physiology or Medicine on 2011. The biological functions of Toll-like receptors are involved with the specifically-binding interaction of relevant ligands to the active sites on Toll-like receptors. Lipopeptide ligands, PamnCSK4, have very similar chemical structures, but hold their specifically-binding interactions with Toll-like receptors, which is believed to be related to the self-assembly structure of PamnCSK4. Particularly, a new flexible “wormlike” structure of PamnCSK4 has been observed in experiments in 2013. However, the understanding of the formation of self-assembled structures of PamnCSK4 and the physical mechanism of their specifically-binding interactions with the Toll-like receptors remain unknown. In this project, we will use molecular dynamics simulations to study the formation of self-assembled structures of PamnCSK4, temperature induced transition of the new flexible “wormlike” structure of PamnCSK4, and the physical mechanism of the specifically-binding interactions of these self-assembly structures of PamnCSK4 with the Toll-like receptors. This research would be helpful to clearly understand the physical nature of specifically-binding interaction of self-assembled structures with Toll-like receptors at the molecular level, and also provides the theoretical guidance for the clinical applications such as the design of drug carriers with precise targeting, fabrications of receptor agonists with the high efficiency in medical treatments.

Toll 样受体蛋白在激活先天免疫中作用的研究2011年被授予诺贝尔生理与医学奖，其各种生物功能的实现涉及不同的配体分子与其特异性地结合。脂肽类PamnCSK4配体分子具有非常类似化学结构，但与Toll 样受体结合表现出非常强的特异性，其原因被认为与它一种新的柔性“蠕虫状”自组装结构相关，然而PamnCSK4分子自组装结构的形成及与Toll 样受体结合特异性的分子机理却仍缺乏理解。本项目拟利用分子动力学模拟的方法，研究PamnCSK4分子形成的自组装结构及转变现象，特别是Pam3CSK4的柔性“蠕虫状”结构的形成及温度诱导结构转变的物理机制，以及其自组装结构与Toll样受体结合特异性的分子机理。期望本项目在脂肽类PamnCSK4分子的自组装及与Toll样受体结合特异性这个问题上,从分子层次上阐述其物理本质，并为设计靶向性高的药物输运载体、制备起效快的免疫受体激活剂等临床应用提供理论支撑。

脂肽PamnCSK4分子与免疫受体蛋白特异性的结合是物理生物交叉学科领域的研究热点。尽管有研究者已经使用高分辨冷冻电镜对脂肽PamnCSK4分子的自组装结构进行了表征，但自组装结构的原子尺度细节、这些结构的不同如何影响受体-配体结合的特异性仍然不清楚。本项目采用分子动力学的方法，对脂肽PamnCSK4分子自组装胶束的结构进行了表征，研究了生物系统中盐离子效应对自组装动力学过程和结构的影响，建立了溶质分子在纳米受限溶液中分散，聚集/自组装的一般理论。我们发现，PamCSK4和Pam2CSK4分子聚集成类球形胶束，而Pam3CSK4分子自组装成具有双层堆积的柔性蠕虫状结构。这些结构中，亲水头、水和离子共同覆盖自组装结构的表面，疏水脂肪链则完全在内部密堆积。脂肽分子在自组装结构中与理想的沿半径或对称平面的法线方向排列均有偏离，且分子自身的亲水端和疏水脂肪链之间均有弯曲。每个分子中的疏水脂肪链均近平行排列。这是由于疏水脂肪链数目的不同使得分子结构从圆锥形向圆柱形转变，从而导致了自组装结构由类球形向双层堆积转化；生物系统中盐离子的存在会对阳/阴离子周围的自由水分子，减少了用于溶解溶质的自由水分子的数目，从而会促进溶质分子的聚集/自组装，并使得分子在自组装结构中的堆积更有序；更一般的理论说明，不仅盐离子，生物系统中的纳米受限效应也会影响分子聚集/自组装的动力学过程，提高临界聚集浓度。这是由于纳米受限系统中由于粒子的总数目有限，总的自由能由团簇成核的自由能和分散在团簇外部的分子平动熵两部分构成。团簇的形成会增加分散分子的自由能，从而导致系统中需要更多的溶质分子，团簇才会稳定。这些研究将加深我们对自组装结构与其生物免疫功能之间关系的理解，也提供了研究生物系统中溶质分子关联行为的理论框架。