多肽TAP親和活性預(yù)測與分子模擬研究.pdf

1、抗原加工轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(Transporter associated with antigen processing, TAP)隸屬于ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(ATP-binding cassette, ABC)家族，其主要生理功能是將細(xì)胞質(zhì)中蛋白酶體降解的多肽片段在ATP的驅(qū)動下轉(zhuǎn)運(yùn)至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔，并參與抗原肽-人類白細(xì)胞抗原(Human leukocyte antigen, HLA)復(fù)合物的組裝過程。研究發(fā)現(xiàn)：TAP與多種人類疾病的發(fā)生密切相關(guān)，如自身

2、免疫性疾病(如Ⅰ型糖尿病)、腫瘤和病毒感染等。因此，TAP結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系以及轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)理研究對于探索細(xì)胞免疫、病毒逃逸與腫瘤發(fā)生機(jī)理等均具有重要的理論意義。然而，由于缺乏TAP三維晶體結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系及轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)理至今尚不清楚。
　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算生物學(xué)方法與技術(shù)已經(jīng)成為生命科學(xué)領(lǐng)域的一種重要研究方法，如定量構(gòu)效關(guān)系(Quantitative structural-activity relationship, QSA

3、R)、同源模建(Homology modeling)、分子對接(Molecular docking)和分子動力學(xué)(Molecular dynamics, MD)等。本文采用上述方法，針對多肽TAP親和活性與選擇特異性、ATP水解與TAP構(gòu)象偶聯(lián)以及TAP結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系等方面進(jìn)行了探索性研究，并取得了階段性研究成果。
　?、賾?yīng)用VHSE(Principal component score vector of hydrophobic,

4、 steric, and electronic properties)氨基酸描述子對613個抗原9肽進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，在此基礎(chǔ)上采用支持向量回歸(Support vector regression, SVR)成功建立了多肽TAP親和活性預(yù)測模型，最優(yōu)線性支持向量機(jī)模型的R2、Q2和 R2ext分別為0.7386、0.7270和0.6057。結(jié)果表明：1)電性為影響TAP親和活性的首要因素，其次是立體和疏水性質(zhì)；2)底物9肽的P1(N-端)、

5、P2、P7和P9(C-端)位氨基酸物化性質(zhì)對TAP親和活性有重要影響，而P3、P4、P5和P6位對模型貢獻(xiàn)相對較小，P8位則與活性無關(guān)。依據(jù)最優(yōu)模型對模擬點(diǎn)突變9肽的TAP親和活性預(yù)測結(jié)果，同時(shí)結(jié)合變量載荷分析，對TAP的底物選擇特異性進(jìn)行了分析和總結(jié)。
　?、跒樘剿鰽TP水解與TAP-NBD構(gòu)象變化的偶聯(lián)關(guān)系，論文以TAP1-NBD晶體結(jié)構(gòu)為模板，構(gòu)建了4種核苷酸結(jié)合構(gòu)象，即ATP/ATP、ATP/ADP、ADP/ADP和NO

6、ATP，并分別進(jìn)行了80 ns的分子動力學(xué)模擬研究。結(jié)果顯示：對于ATP/ATP結(jié)合構(gòu)象，NBD的重要結(jié)構(gòu)域以及保守氨基酸殘基間的距離相對穩(wěn)定，NBD1-NBD2以及ATP-NBD間的氫鍵相互作用對維系構(gòu)象的穩(wěn)定有重要作用；對于ATP/ADP結(jié)合構(gòu)象，除結(jié)合ADP位點(diǎn)中A-loop與C-loop的距離增加外，其他結(jié)構(gòu)域間的距離均不同程度減??；對于ADP/ADP結(jié)合構(gòu)象，所有重要結(jié)構(gòu)域間的距離均增加；而對于NO ATP結(jié)合構(gòu)象，距離均減小

7、。以上研究結(jié)果表明：當(dāng)NBD結(jié)合2個ATP時(shí)，可形成相對穩(wěn)定的二聚體結(jié)構(gòu)；ATP水解可引起NBD的A-loop和α螺旋亞結(jié)構(gòu)域(不包括C-loop)的構(gòu)象改變。當(dāng)NBD結(jié)合ATP/ADP或NO ATP時(shí)，NBD1-NBD2接觸表面相互作用更加復(fù)雜，ATP結(jié)合位點(diǎn)仍結(jié)合緊密，甚至進(jìn)一步二聚化；而當(dāng)NBD結(jié)合2個ADP，即ATP全部水解時(shí)，2個結(jié)合位點(diǎn)均處于開放狀態(tài)，表明在底物轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，ATP水解后僅釋放出磷酸基團(tuán)，生成的ADP仍保留在結(jié)

8、合位點(diǎn)中。研究結(jié)果暗示：TAP在底物轉(zhuǎn)運(yùn)過程中ATP水解過程與“開關(guān)”模型基本一致。
　　③以3個ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白晶體結(jié)構(gòu)作為TAP模板分子，構(gòu)建了4個TAP分子模型，并采用PROCHECK、WHAT_CHECK和ERRAT等方法對上述模型進(jìn)行質(zhì)量評價(jià)。在此基礎(chǔ)上，利用上述模型對TAP轉(zhuǎn)運(yùn)底物前后的構(gòu)象變化進(jìn)行了比較研究。結(jié)果顯示：基于P-gp和TM0287/0288構(gòu)建的3個TAP模型接近底物轉(zhuǎn)運(yùn)前的初始構(gòu)象；而基于Sav1866

9、構(gòu)建的TAP模型則接近底物轉(zhuǎn)運(yùn)后的構(gòu)象?；谏鲜?種不同構(gòu)象和多序列比對結(jié)果，對TMD結(jié)構(gòu)域中的保守氨基酸殘基的功能進(jìn)行了細(xì)致的分析。研究表明：TAP的TMH2與TMH5間的π-π堆積作用以及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)側(cè)的TAP-ELs間的相互作用均與底物轉(zhuǎn)運(yùn)過程中跨膜螺旋構(gòu)象的改變密切相關(guān)。此外，結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，對TAP結(jié)合和轉(zhuǎn)運(yùn)底物起關(guān)鍵作用的氨基酸殘基進(jìn)行了分析和討論。
　?、芤曰赑-gp和TM0287/0288構(gòu)建的3個TAP模型為受

10、體模型，具親和活性的參考9肽(RRYQKSTEL)為配體，采用Surflex-Dock分子對接方法對底物與TAP結(jié)合口袋的作用模式進(jìn)行了探索性研究。初步研究結(jié)果顯示：9肽以一種相對扭曲的構(gòu)象與 TAP結(jié)合口袋相互作用，其 N端和 C端殘基間的距離約為2.2 nm。以TM0287/0288為模板的受體模型對接結(jié)果表明：參考9肽的N端和C端相對固定，分別與TAP負(fù)電性口袋pocket1和(或)pocket2以及正電性口袋pocket3和(或

11、)pocket4發(fā)生相互作用。以P-gp為模板的受體模型對接結(jié)果顯示：9肽C端可與pocket3發(fā)生相互作用，而由于結(jié)合口袋間的距離過大導(dǎo)致9肽N端不能與pocket1和(或)pocket2結(jié)合，表明該受體模型可能不適合底物多肽的結(jié)合。研究結(jié)果暗示：底物多肽與TAP結(jié)合時(shí)，其N端和C端可能相對固定，并分別與電性結(jié)合口袋發(fā)生相互作用，而中間區(qū)域的構(gòu)象則相對扭曲。
　　隨著跨膜蛋白的結(jié)構(gòu)測定技術(shù)和相關(guān)計(jì)算機(jī)分子模擬技術(shù)的不斷改進(jìn)，將極