利用天然結(jié)構(gòu)引導的計算機模擬研究小蛋白折疊機制.pdf

1、蛋白質(zhì)折疊是生物學研究領(lǐng)域的重要課題，無論理論上還是實驗上都非常關(guān)心這個問題并且做了大量的工作。因為對于折疊機制的深入研究有利于我們了解序列和結(jié)構(gòu)之間相互依賴性的奧秘用于分子設計，有利于找出導致某些疾病的錯誤折疊的蛋白的致病機理、以及分析基因序列中存在的無結(jié)構(gòu)蛋白所發(fā)揮的作用等。關(guān)于描述蛋白質(zhì)折疊機制的理論模型，人們的觀點在發(fā)現(xiàn)存在快速折疊符合兩態(tài)模型的小蛋白之后有了很大的更新，認為折疊過程中特別是對于那些快速折疊的小蛋白，中間態(tài)不是折

2、疊過程所必須的，而是在折疊態(tài)和去折疊態(tài)之間存在著過渡態(tài)系綜。由于這些過渡態(tài)的壽命極其短暫，實驗上，主要是通過Φ值分析的方法，利用單點突變描述過渡態(tài)與天然態(tài)之間的相似性程度。理論上，最準確的描述其性質(zhì)的理論模型是自由能剖面分析的方法，然而，這類方法需要獲得大量的軌跡描繪構(gòu)象空間并且依賴于特定的反應坐標。實際上，很難用低維的自由能面描繪實際的高維的自由能面的特征。在理論研究中，對蛋白質(zhì)折疊的動力學模擬受到數(shù)值積分步長較短、構(gòu)象空間采樣效率不

3、高等因素的制約，改進和發(fā)展算法提高理論模擬的時間尺度是非常必要的。我們采用了兩種不同的方式將天然結(jié)構(gòu)的信息溶入于動力學模擬的采樣中，能夠獲得折疊的軌跡，進行蛋白質(zhì)折疊的探索性研究。概括為以下幾個方面的內(nèi)容： 1.目標驅(qū)動的分子動力學模擬研究折疊與去折疊過程 目標驅(qū)動的分子動力學(TMD)模擬方法是一種通過約束勢將外參數(shù)與反映接近目標構(gòu)象程度的幾何坐標關(guān)聯(lián)起來的反應路徑方法。我們用各向異性的彈性網(wǎng)絡模型(ANM)劃分坐標空

4、間，將集合坐標的思想應用于TMD的方法中，在不同的子空間進行目標驅(qū)動的分子動力學(sub-TMD)模擬。 我們選取15個殘基的α螺旋態(tài)的核糖核酸酶S肽類似物為研究體系，始終以天然態(tài)為參考態(tài)劃分坐標空間：不考慮前面6個代表平動、轉(zhuǎn)動的ANM的本征模，低頻本征模7-22反映了大于90％的折疊、去折疊的結(jié)構(gòu)差異，相應的子空間Г7-22代表全局的構(gòu)象變化；剩下的高頻本征模23-45的子空間Г23-45代表局域的構(gòu)象變化。我們進行了6組1

5、00次10ns的在子相空間Г7-45、Г7-22、Г23-45的折疊/去折疊模擬(符號為Г7-45_F,Г7-45_U、Г7-22_F、Г7-22_U、Г23-45F、Г23-45_U)。 我們發(fā)現(xiàn)對于Г7-45_F,Г7-45_U和Г7-22_U的模擬，100％能夠到達各自的目標構(gòu)象。只有28％的Г7-22_F能夠獲得天然的結(jié)構(gòu)，大部分的最終構(gòu)象陷入能量極小區(qū)域。而88％的Г23-45_F和19％的Г23-45_U模擬能夠完成

6、折疊和去折疊的過程，說明全局構(gòu)象自發(fā)形成。此外，Г23-45_F所獲得的折疊的軌跡顯著不同于Г7-22_F和Г7-45_F的模擬，它們對應不同的折疊機制：Г23-45_F傾向于二級結(jié)構(gòu)的形成先于疏水塌陷的框架模型；Г7-22_F和Г7-45_F顯示二級結(jié)構(gòu)的形成是在折疊的后期，是疏水塌陷模型。 我們的分析顯示這種外加約束勢的目標驅(qū)動的分子動力學模擬方法，對勢能面進行了一定的平滑，所采到的軌跡具有偏向性，受到約束勢影響較大。并且在

7、有限時間內(nèi)的模擬，很難使得折疊、去折疊的過程達到可逆。 2.利用拓撲相似性耦合參數(shù)的分布式計算的方法研究葡萄球菌蛋白A的B結(jié)構(gòu)域的折疊 這里的分布式計算是一種網(wǎng)格計算的方法，它通過利用網(wǎng)絡資源進行“螞蟻搬山”式的數(shù)據(jù)處理，最早被應用于蛋白質(zhì)折疊的研究是斯坦福大學著名的fold@home工程。他們基于粗糙的能量剖面上，局部狀態(tài)之間的躍遷需要長時間的熱力學等待時間的思想，通過增加態(tài)與態(tài)之間的躍遷幾率，能夠有效地縮短模擬時間從

8、而觀察到折疊過程。 我們利用改進的使用拓撲相似性耦合參數(shù)作為軌跡分支選擇標準的分布式計算，同時結(jié)合放大集合運動(ACM)增強低頻空間采樣、廣義玻恩模型加上溶劑可接觸表面面積模型(GB/SA)處理溶劑化效應的方法，研究葡萄球菌蛋白A的B結(jié)構(gòu)域的折疊。得到在基本上無擾動的、原子水平勢能面上連續(xù)的折疊軌跡。通過比較模擬的結(jié)果和實驗的數(shù)據(jù)得出： 首先，我們在折疊的軌跡中Rg～1.25nm的系綜所計算的疏水面積包埋比與實驗上描述的

9、過渡態(tài)的特征的Φ值具有很高的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達到0.82。 其次，我們的觀察顯示該蛋白螺旋1上的殘基14，17，18和螺旋2上的殘基28，31，32之間在折疊的過程中重要的相互接觸作用，使得從28到32部分的螺旋得到穩(wěn)定，從而一方面解釋了該蛋白質(zhì)的F14WG30A的突變體是該尺度下所觀察到的折疊最快的折疊子這一實驗現(xiàn)象，另一方面證明了某些關(guān)鍵性的殘基位點的相互接觸對于蛋白質(zhì)折疊過程中的重要性，這與蛋白質(zhì)折疊理論的新觀點相一致。

10、 此外，我們的結(jié)果還有一些實驗所沒有觀測到的獨有的特征：扭曲1的形成不是形成過渡態(tài)所必須的；殘基R28的Φ值沒有被實驗報道，我們的模擬顯示它的較長側(cè)鏈上的非極性基團將螺旋1加到螺旋2上并且鞏固了螺旋R28到I32部分的穩(wěn)定性。 對于理論研究方面的貢獻： 首先，我們的方法可以做為那些通過低維自由能面決定過渡態(tài)系綜的方法的補充。使用沿著人為定義的某些反應坐標，采樣到的不同區(qū)域的一系列軌跡構(gòu)建的低維的自由能面定義過渡態(tài)的

11、系綜，可能有些結(jié)構(gòu)對應于高維自由能面上各個獨立的極小點的位置。因此用這些方法所描述的過渡態(tài)特征與實驗的結(jié)果進行比較是不準確的，因為沒有其他證據(jù)證明它們所采到的結(jié)構(gòu)確實包含真實的過渡態(tài)系綜。我們沒有依據(jù)某些反應坐標構(gòu)建低維的自由能面得到我們的過渡態(tài)系綜，而是結(jié)合模擬的結(jié)果以及實驗上的數(shù)據(jù)進行綜合分析，得到與實驗數(shù)據(jù)較為吻合的過渡態(tài)結(jié)構(gòu)。因此我們的方法可以做為這種基于低維的自由能面方法的補充，即從低維的自由能面上選擇出真實連續(xù)軌跡上對應的“

12、真實”的過渡態(tài)結(jié)構(gòu)。 其次，我們嘗試了不同的分布式計算的耦合參數(shù)做為軌跡分支的選擇標準，提出了新的拓撲相似性的耦合參數(shù)做為分布式計算的同步合成的標準，雖然耦合參數(shù)本身對模擬的采樣有一定的偏向性，但是與“steered”或者目標驅(qū)動的方法顯著不同的是我們沒有加上任何的約束勢來平滑勢能面。這在一定程度上解決了TMD方法外加約束勢影響軌跡的問題。 總之，迄今為止對于蛋白質(zhì)折疊的問題，我們的認識還遠遠不夠。在理論工作中，很多觀點