LL-37抗菌肽段与膜相互作用的分子动力学模拟研究

摘要

抗菌肽是一类小的宿主防御蛋白，它能保护植物、动物等多细胞机体免于感染。LL-37是Cathelicidin家族中唯一的存在于人体中的抗菌肽，它能发挥抗菌、抗病毒、抗肿瘤以及免疫调节等方面的重要作用。尽管对LL-37已经开展了较为广泛的研究，但是有关LL-37发挥抗菌活性的分子机制和作用过程有待于进一步研究。因此，研究抗菌肽LL-37与细胞膜的相互作用对于认识LL-37的细胞毒性机理以及了解其抗菌机制有重要的意义。实验研究是认识这一作用过程和机制的重要方面，但是，由于时间和空间分辨率的限制，目前，尚不能在原子水平提供抗菌肽LL-37与细胞膜相互作用过程的具体信息。当前，分子动力学模拟已经成为研究生物大分子及其复合体的一种不可或缺的重要工具，在生物大分子及其相互作用领域取得了一系列重要成果，而且还在快速发展。分子动力学模拟方法可以在四维时空模拟一个分子系统的演变过程，提供构象随着时间变化的各种信息，进而得到模拟体系的结构、动力学和热力学过程，是实验研究的有效补充。因此，分子动力学模拟也为我们提供了从微观层次研究抗菌肽抗菌机制的重要工具。
　　本论文利用分子动力学模拟的方法，研究了LL-37抗菌肽段FK-13与模拟哺乳动物膜和模拟细菌膜的相互作用过程。选用GROMOS53A6力场和SPC水模型对体系进行常规分子动力学模拟，研究了不同膜环境下抗菌肽段FK-13的结构特征、抗菌肽段FK-13与不同膜的相互作用情况以及这些膜作用前后的变化情况。通过分子动力学模拟研究，在分子水平上来进一步揭示抗菌肽段FK-13与不同膜相互作用的微观机制，增加了对这种作用过程的认识。主要研究结果如下：
　　1.不同膜环境下抗菌肽段的结构特征。抗菌肽段FK-13的抗菌活性与起二级结构（螺旋）的变化情况有关。通过分析研究发现，抗菌肽段FK-13与细菌膜作用时，能够保持部分螺旋结构，而与哺乳动物膜作用时，并没有发现任何螺旋结构的存在。表明抗菌肽段的螺旋结构可能与其抗菌作用有密切的关系。
　　2.抗菌肽段与不同膜的相互作用情况。相比于与哺乳动物膜的作用，抗菌肽段在与细菌膜作用时形成的氢键数目增加，肽段与膜两者的质心之间的距离要近，这些特征表明抗菌肽段FK-13与细菌膜的作用要强于与哺乳动物膜的作用，LL-37抗菌肽段具有选择性抗菌活性。
　　3.与抗菌肽作用膜的变化特征。相对于与哺乳动物的膜作用，抗菌肽段FK-13在与细菌膜作用时，在膜上的分布要靠近膜的质心，引起膜的扰动要大，从而对膜产生破坏作用，以实现抗菌功能。
　　本论文主要内容分为五章。第一章为绪论，主要介绍了抗菌肽、抗菌肽与不同类型膜的作用以及研究进展，主要包括了抗菌肽LL-37在人类的免疫系统中的功能，以及与之相关的疾病。第二章主要介绍了分子动力学模拟的基础理论，内容包括分子动力学模拟方法、经验力场、GROMACS软件和分子动力学模拟在抗菌肽方面的应用。第三章为研究对象和方法，介绍了模拟对象的选择、膜平衡的模拟以及肽-膜体系的模拟。第四章为研究结果和分析，首先介绍了模拟的收敛情况，然后从肽段的结构特征、肽段与膜的相互作用情况、膜结构的变化特征三个方面分析了抗菌肽段与不同膜相互作用的情况。第五章为总结与展望，总结了本工作的主要结论、创新点及存在的问题。希望本研究可以为将来设计低毒、高效的抑菌剂提供理论支持。