自结合肽的折叠—结合耦合机制研究

论文摘要

自结合肽（SBP）是一种位于单体蛋白质内部具有独立结构和功能的短肽片段,通过一条柔性连接区域（linker）与母体蛋白其余部分相连,并动态地与该母体蛋白特定区域（靶标）发生可调节的复合和解离（association and disassociation）。这是一种兼具蛋白质折叠（folding）和结合（binding）特征的生物分子现象。众所周知,蛋白质的折叠是新生肽链获得其生物学功能的重要过程。一般来说,该折叠发生在单一多肽链上。对于SBP现象,由于其与靶标区域序列的连续性人们通常很自然地将之归于折叠的范畴,即把它视为单体蛋白折叠事件的最后一步。然而,SBP与传统蛋白质折叠又有显著的差异,如SBP可动态复合/解离以及表现出分子开关功能等,这些都是典型的结合特征。因此,从表观上来看SBP具备折叠和结合的双重特征。为了弄清SBP折叠-结合耦合（coupled folding and binding）的分子机制,本研究对多个典型且具有代表性的SBP单体蛋白进行了系统地分子动力学模拟和热力学分析,包括原癌基因产物Vav、人类视黄酸受体RARγ、果蝇模架蛋白INAD和14-3-3蛋白Cp14b。首先,人工切断了结合状态下SBP的linker区域获得了游离的SBP肽段,并在此基础上构建了人工非结合状态的SBP/靶标复合物体系;进而,分别对SBP游离肽段、人工复合物体系、天然结合体系进行了动力学模拟,并对比分析了不同体系的动力学行为、热力学性质以及相关的焓熵效应。此外,我们还采用原癌基因产物Vav内部SBP结合状态下的天然晶体结构为模板,将其SBP部分与靶标连接的linker区域人为切断,从而搭建了断开的SBP/靶标复合物体系,并对其进行系统的动力学研究,进而对比分析了有无linker区域对SBP结合方式的影响。研究表明:一方面,SBP可以视为经典蛋白质折叠（folding）的一个环节,它通过蛋白质内部分子相互作用而实现与母体蛋白其他部分绑定;另一方面,通过切断linker对比研究发现,SBP/靶标相互作用的热力学性质并不会受到显著影响,因此在分子水平上SBP与普通肽/蛋白质复合物的结合（binding）情况并无本质区别。鉴于此,我们认为SBP是受传统意义上蛋白“折叠”驱使的分子内“结合”现象,可以视为一种新型的折叠-结合耦合行为,即“伴随折叠的结合（binding-upon-folding）”,其与先前人们针对普通肽/蛋白质复合物体系提出的“伴随结合的折叠（folding-upon-binding）”互为反向过程。此外,我们还发现尽管linker区域并不会显著影响SBP/靶标相互作用的热力学性质,但能有效促进SBP与靶标之间的动态接触几率,从而在动力学水平提高二者之间的结合效率,这与普通肽/蛋白质复合物体系的“folding-upon-binding”又有本质区别,因此SBP可视为一类介于折叠和结合之间的新型生物分子现象。我们分析了SBP序列的残基组成倾向,发现它与传统无定型态蛋白（intrinsically disordered protein）中的结构混乱区域的氨基酸组成较为相似,但二者的结构形态和功能实现方式存在较大区别,因此不能将之简单归属于无定型态蛋白之列。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究工作的背景
•   1.2 研究工作的意义
•   1.3 研究现状
•   1.4 本论文的主要研究内容
•   1.5 本论文的结构安排
• 第二章 自结合肽的折叠特性
•   2.1 背景及研究问题
•   2.2 研究材料及方法
•     2.2.1 自结合肽样本集
•     2.2.2 自结合肽-靶标非结合状态的人工构建
•     2.2.3 分子动力学模拟方法
•     2.2.4 体系熵的计算方法
•   2.3 结果与讨论
•     2.3.1 分子动力学模拟轨迹分析
•     2.3.2 自结合肽在结合状态下的构象约束现象
•     2.3.3 游离自结合肽在模拟过程中构象的变化
•     2.3.4 自结合肽片段结合靶标片段前后的熵损失现象
•   2.4 本章小结
• 第三章 自结合肽的结合特性
•   3.1 背景及研究问题
•   3.2 研究材料和方法
•     3.2.1 自结合肽样本集
•     3.2.2 结合状态下自结合肽-靶标复合体的人工构建
•     3.2.3 分子动力学模拟方法
•     3.2.4 结合状态MM/PBSA方法计算结合自由能策略
•   3.3 结果与讨论
•     3.3.1 自结合肽-靶标片段结合界面热点残基的特征
•     3.3.2 自结合肽-靶标复合体与单体蛋白动力学行为的比较
•     3.3.3 人工复合体与单体蛋白的自结合肽结构特点的比较
•     3.3.4 人工复合体与单体蛋白的结合方式的比较
•   3.4 本章小结
• 第四章 BINDING-UPON-FOLDING与 FOLDING-UPON-BINDING现象比较
•   4.1 背景及研究问题
•   4.2 研究材料和方法
•     4.2.1 自结合肽样本集
•     4.2.2 自结合肽与无定型态蛋白中结构混乱区残基组成倾向比较
•   4.3 结果与讨论
•     4.3.1 自结合肽与无定型态蛋白中结构混乱区残基组成倾向相似
•     4.3.2 Binding-upon-Folding与 Folding-upon-Binding结构和功能关系
•   4.4 本章小结
• 第五章 全文总结与展望
•   5.1 全文总结
•   5.2 后续研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李忠彦

导师: 周鹏

关键词: 蛋白质相互作用,分子识别,结构柔性,折叠,结合,计算肽学,伴随折叠的结合,伴随结合的折叠

来源: 电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 电子科技大学

分类号: Q51

总页数: 49

文件大小: 4208K

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