基于弹性网络模型的蛋白质变构运动及关键残基的识别研究

摘要

随着人类基因组测序的完成，生命科学的研究进入了以蛋白质组学和功能基因组学为主要研究内容的后基因组时代。生物体内分子的新陈代谢、信号传递、基因转录、酶催化等生物学功能，都需要借助蛋白质的变构运动来完成。蛋白质的长程变构运动往往需要一些关键残基的介导。目前，对蛋白质变构机制问题的理论和实验研究均有报道，但实验方法很难在微观层次上揭示蛋白质的整个变构过程，理论计算可以从原子水平模拟蛋白质的变构过程。蛋白质的变构过程往往需要跨越很高的势垒，这一过程异常耗时，通常需要结合一些加快采样技术，比如放大集合采样技术、拉伸分子动力学技术等。为了简化计算，人们提出了各种不同层次的粗粒化模型来研究蛋白质的变构过程。本论文主要采用弹性网络模型方法来研究蛋白质的变构运动及关键残基的识别。
　　来自结核分枝杆菌的丙氨酸脱氢酶已经成为研究抗结核类药物的靶点，对其功能性运动及关键残基的识别研究将有助于理解其变构机制；而配体门控离子通道的研究，有助于对阿尔茨海默症、帕金森综合症等离子通道病的治疗。研究这两个体系的蛋白质的结构-功能关系具有重要的生物学意义。本论文的主要研究内容如下：
　　首先，对分子动力学方法以及分子动力学模拟的软件进行了介绍，由于分子动力学模拟方法需要耗费大量的计算资源，迫切需要简单而有效的新方法。正则模分析方法正是这种简化的方法，正则模分析(NMA)是采用模态分析的方法对蛋白质的简谐振动进行分析，大大的简化了计算。另一种简化模型，弹性网络模型(ENM)是一种粗粒化模型，它能够避免NMA耗时的不足，能够很好的计算蛋白质的慢运动模式，且精度和NMA相当。同时介绍了基于ENM的高斯网络模型(GNM)和各向异性网络模型(ANM)在蛋白质功能性运动和关键残基识别上的应用。
　　其次，进行了基于弹性网络模型的L-丙氨酸脱氢酶的域运动和功能性关键残基的研究。来自结核分枝杆菌的L-丙氨酸脱氢酶(L-MtAlaDH)在催化丙氨酸到丙酮酸和氨的过程中发挥重要作用，也被认为是治疗肺结核的潜在的靶点。在这个工作中，利用高斯网络模型和各向异性网络模型研究L-丙氨酸脱氢酶在转录过程中的功能性运动模式。L-丙氨酸脱氢酶的开和关结构的最慢运动模式表明该蛋白结构域的功能性运动有一个共同的铰链位于残基Met133和Met301处。伴随着构象的变化，配体结合区和底物结合区运动具有较高的耦合性。各向异性网络模型前三个慢运动模式分别描述了L-结核分枝杆菌的扭转、开合和旋转运动。快运动模式的计算结果识别出一些对于蛋白质结构稳定性起重要作用的关键残基，其中的一些残基直接参与了和配体的结合。同时，采用微扰分析方法识别出对于配体结合起重要作用的功能性残基。我们的计算结果和实验能够很好的吻合，这将帮助我们更好的理解结核分枝杆菌L-丙氨酸脱氢酶发挥生物功能的物理机制。
　　最后，进行了基于弹性网络模型的来自无类囊体蓝藻的五聚体门控离子通道(GLIC)功能性关键残基与其麻醉调节变构路径关系的研究。尽管五聚体门控离子通道已经成为全身麻醉的目标，但其作用机制仍未可知。来自无类囊体蓝藻的五聚体门控离子通道的开合能够被氯胺酮麻醉分子所调控。X-ray射线晶体结构显示氯胺酮的结合位点并不在通道门的位置，现在仍不清楚氯胺酮分子是如何通过长程变构作用调控离子通道的开合。在我们的工作中，通过基于弹性网络模型的热力学循环的方法来识别该蛋白质的功能性关键残基和变构路径。计算的结果和实验结论具有较高的一致性。我们的研究有助于更好的理解氯胺酮分子长程变构调节麻醉作用机制。

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第1章 绪 论

1.1 蛋白质变构效应的研究意义和进展

1.2 丙氨酸脱氢酶研究的意义和进展

1.3离子通道的研究意义及进展

1.4论文具体研究内容

第2章 理论与方法

2.1 引言

2.2分子动力学模拟

2.3 正则模分析

2.4 弹性网络模型

第3章 基于弹性网络模型的L-丙氨酸脱氢酶的域运动和功能性关键残基的研究

3.1 引言

3.2 研究方法

3.3 结果和讨论

3.4 本章小结

第4章 基于弹性网络模型的GLIC功能性关键残基与麻醉调节的变构路径关系的研究

4.1 引言

4.2 方法和步骤

4.3 结果和讨论

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢