從頭設計蛋白質DS119摺疊機制的分子模擬研究

《從頭設計蛋白質DS119摺疊機制的分子模擬研究》是依託中國科學院大學，由張竹青擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：從頭設計蛋白質DS119摺疊機制的分子模擬研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張竹青
• 依託單位：中國科學院大學

項目摘要

蛋白質從頭設計是人們對蛋白質胺基酸殘基間相互作用理解的一種檢驗，其最終目的是設計出具有特定功能的蛋白質，進而套用於生物科技或醫藥設計。儘管目前設計的蛋白質大多都能在熱力學條件下穩定存在，但實驗表明它們的動力學摺疊過程常表現得和天然蛋白質不同，使得全新設計蛋白質能否象天然蛋白質那樣行使功能成為疑問。本項目將以最近從頭設計出第一個具有平行beta片層的蛋白DS119為模型，通過全原子分子動力學模擬和分析其摺疊過程，通過REMD(replica exchange molecular dynamics)方法得到其摺疊熱力學自由能曲面；改進基於結構的粗粒化模型，模擬該蛋白質摺疊熱力學與動力學過程，並與全原子模型得到的結果分析比較，探討引起其摺疊速率慢的可能因素；與其它從頭設計蛋白質摺疊的研究結果結合，分析設計蛋白質與天然蛋白質摺疊不同的一般原因。希望本項目的研究能為蛋白質進一步合理化設計提供新思路。

結題摘要

從頭設計的蛋白質因為缺少自然選擇的作用，常常表現出與天然蛋白質不同的摺疊特徵。對這些設計蛋白質摺疊過程的研究，不僅會有效補充對蛋白質摺疊一般機制的理解，也為設計蛋白質的最終功能化實現提供基礎。最近的實驗表明，從頭設計成功得到的具有平行beta片層小蛋白DS119，具有相當高的熱力學穩定性，而在摺疊動力學研究中它卻表現出比相應序列長度的天然蛋白質慢得多的現象。進一步的檢測發現，在該蛋白質的摺疊過程中，出現瞬間二聚體的現象。本項目即是以這個具有beta-alpha-beta結構的小蛋白為模型，通過計算機模擬研究該蛋白質摺疊的可能機制。在研究過程中，我們嘗試建立了粗粒化模型和全原子分子動力學模型。前者的模型通過改進所得結果效果不是很理想，因此本項目主要的研究重心是通過全原子分子動力學方法研究該蛋白質的摺疊動力學和熱力學性質。一方面，通過副本交換分子動力學REMD（Replica Exchange Molecular Dynamics）方法，我們得到了該蛋白質單體在不同摺疊條件下構象分布的自由能曲面，發現即使在摺疊條件下，仍有幾個相對穩定性的摺疊中間態存在；另一方面，我們構建了雙鏈模擬體系，通過對多條大於1us的雙蛋白質體系的模擬軌跡分析，我們發現在兩個蛋白質聚集的初期，聚集界面常發生在DS119的N端區域，尤其是胺基酸殘基5-10的片段，而該片段是摺疊態結構中形成beta片層的部分。此外，對聚集體內的單個蛋白質的結構分析發現，這些蛋白質的構象大部分落在REMD所得到的自由能曲面的摺疊中間態區域。基於這些模擬結果，我們提出該蛋白質的可能摺疊機理是：在摺疊條件下，DS119 單體很容易陷入相對比較穩定的中間態中，而進一步擴散過程中它與另外單體產生聚集，N端區域因形成聚集界面而很難進一步摺疊成天然態結構，所形成的聚集體被瞬間穩定下來，這可能就是該蛋白質摺疊慢的原因。這些結果已經整理成文並投遞送審。該項目的研究表明了分子動力學方法對於細緻研究從頭設計蛋白質複雜摺疊機制的可行性，為從頭設計蛋白質能向天然蛋白質那樣發揮作用的功能化實現提供了研究方法和參考思路。