耶尔森氏菌LcrV结合Toll样受体2的结构机制研究

Yersinia genus is a group of intestinal parasites that can cause malignant diseases. They can secrete LcrV (V antigen) that bind to host Toll-like receptor 2 (TLR2) to interfere with the immune recognition of TLR2 and to facilitate the immune evasion. A number of reported site-directed mutagenesis data reveal several discrete active sites (binding sites); however, there has been no report about how LcrV is dimerized and how LcrV binds to TLR2 from the viewpoint of protein structure. In this project, we construct homology models for three Yersinia genuses and human TLR2 ectodomain, and then construct a tetramer model of LcrV-TLR2 (2:2) complex. The model can present the known abstract experimental data and can be used to estimate some conflicting conclusions. At last, we design site-directed mutation experiments for Yersinia pestis LcrV based on the binding model and perform biochemical experiments to examine protein interactions between LcrV and TLR2 to proof and modify our models. The research results will help to understand the immunomodulatory mechanism of LcrV, and provide theoretical basis for vaccine development of bubonic plague.

耶尔森氏菌是一类可导致恶性疾病的肠道寄生菌。它们能分泌一种V-抗原蛋白（LcrV），通过与宿主TLR2结合干扰TLR2的正常免疫识别功能，从而达到免疫逃逸的目的。已有大量基因定点突变研究揭示了LcrV诸多分散的活性位点，然而从蛋白结构角度，LcrV是如何同源二聚又如何与TLR2结合尚无报道。本项目将基于申请人已发表的一系列有关TLR结构建模及配体识别结构机制的研究，构建三种耶尔森氏菌LcrV及人TLR2胞外域单体结构模型，然后用分子对接和分子动力学模拟方法，分别构建三种菌的LcrV-TLR2(2:2)四聚复合体，并比较分析结构与功能差异。这些复合体可解释已有的抽象实验数据，并可以为对立的实验数据提供辨别依据。最后，基于复合体模型设计鼠疫耶尔森氏菌LcrV的基因突变位点，并进行蛋白质相互作用实验，验证并修正模型。研究结果将有助于理解LcrV对宿主免疫操控的机制，为鼠疫疫苗的改造提供理论依据。

鼠疫耶尔森杆菌（Yersinia pestis）是引发鼠疫的病原体，它能够抑制宿主白细胞的免疫反应以躲避吞噬作用。早期研究发现，鼠疫耶尔森杆菌的V-抗原（LcrV）通过与人类Toll样受体2（TLR2）结合而实现了该过程。然而，由于缺乏相关的分子结构信息，这种由LcrV和TLR2介导的免疫应答抑制的详细机制尚不能被完全阐明。在本项目中，我们使用蛋白质结构建模的方法，成功构建了鼠疫耶尔森杆菌LcrV与人类TLR2作用的异四聚体结构模型。继而用分子动力学模拟核实了该结构在水环境中具有稳定性。LcrV模型具有哑铃状结构，其中包含两个小球状结构域（N-末端的G1和远离膜的G2），并且由一个卷曲螺旋结构域相连接。两个马蹄形TLR2亚基组成了一个V形结构，它们彼此没有直接相互作用，而是由LcrV同源二聚体的作用保持在一起。G1和CCL结构域参与了LcrV同源二聚体的形成，而所有三个结构域都参与了LcrV与TLR2结合的过程。基于该异源四聚体的结构，我们提出了一个分子相互作用机制模型：LcrV同源二聚体可以隔离两个TLR2亚基以抑制TLR2的二聚化和后续的免疫应答信号转导；同时LcrV也可以抑制TLR2与其他TLR形成异二聚体，最终导致免疫应答被抑制。