利用天然結(jié)構(gòu)引導(dǎo)的計(jì)算機(jī)模擬研究小蛋白折疊機(jī)制.pdf

1、蛋白質(zhì)折疊是生物學(xué)研究領(lǐng)域的重要課題，無論理論上還是實(shí)驗(yàn)上都非常關(guān)心這個(gè)問題并且做了大量的工作。因?yàn)閷?duì)于折疊機(jī)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(shè)計(jì)，有利于找出導(dǎo)致某些疾病的錯(cuò)誤折疊的蛋白的致病機(jī)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(jī)制的理論模型，人們的觀點(diǎn)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(rèn)為折疊過程中特別是對(duì)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(shí)驗(yàn)上，主要是通過Φ值分析的方法，利用單點(diǎn)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(zhǔn)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(yīng)坐標(biāo)。實(shí)際上，很難用低維的自由能面描繪實(shí)際的高維的自由能面的特征。在理論研究中，對(duì)蛋白質(zhì)折疊的動(dòng)力學(xué)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(jìn)和發(fā)展算法提高理論模擬的時(shí)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(dòng)力學(xué)模擬的采樣中，能夠獲得折疊的軌跡，進(jìn)行蛋白質(zhì)折疊的探索性研究。概括為以下幾個(gè)方面的內(nèi)容： 1.目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究折疊與去折疊過程 目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的分子動(dòng)力學(xué)(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(biāo)構(gòu)象程度的幾何坐標(biāo)關(guān)聯(lián)起來的反應(yīng)路徑方法。我們用各向異性的彈性網(wǎng)絡(luò)模型(ANM)劃分坐標(biāo)空

4、間，將集合坐標(biāo)的思想應(yīng)用于TMD的方法中，在不同的子空間進(jìn)行目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的分子動(dòng)力學(xué)(sub-TMD)模擬。 我們選取15個(gè)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(biāo)空間：不考慮前面6個(gè)代表平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)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(yīng)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(jìn)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(hào)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(duì)于Г7-45_F,Г7-45_U和Г7-22_U的模擬，100％能夠到達(dá)各自的目標(biāo)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(duì)應(yīng)不同的折疊機(jī)制：Г23-45_F傾向于二級(jí)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(jí)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(biāo)驅(qū)動(dòng)的分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，對(duì)勢能面進(jìn)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(shí)間內(nèi)的模擬，很難使得折疊、去折疊的過程達(dá)到可逆。 2.利用拓?fù)湎嗨菩择詈蠀?shù)的分布式計(jì)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(jì)算是一種網(wǎng)格計(jì)算的方法，它通過利用網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行“螞蟻搬山”式的數(shù)據(jù)處理，最早被應(yīng)用于蛋白質(zhì)折疊的研究是斯坦福大學(xué)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(shí)間的熱力學(xué)等待時(shí)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(shí)間從

8、而觀察到折疊過程。 我們利用改進(jìn)的使用拓?fù)湎嗨菩择詈蠀?shù)作為軌跡分支選擇標(biāo)準(zhǔn)的分布式計(jì)算，同時(shí)結(jié)合放大集合運(yùn)動(dòng)(ACM)增強(qiáng)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(yīng)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(dòng)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(shí)驗(yàn)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(jì)算的疏水面積包埋比與實(shí)驗(yàn)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(dá)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，另一方面證明了某些關(guān)鍵性的殘基位點(diǎn)的相互接觸對(duì)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(diǎn)相一致。

10、 此外，我們的結(jié)果還有一些實(shí)驗(yàn)所沒有觀測到的獨(dú)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(shí)驗(yàn)報(bào)道，我們的模擬顯示它的較長側(cè)鏈上的非極性基團(tuán)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(duì)于理論研究方面的貢獻(xiàn)： 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(bǔ)充。使用沿著人為定義的某些反應(yīng)坐標(biāo)，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(duì)應(yīng)于高維自由能面上各個(gè)獨(dú)立的極小點(diǎn)的位置。因此用這些方法所描述的過渡態(tài)特征與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行比較是不準(zhǔn)確的，因?yàn)闆]有其他證據(jù)證明它們所采到的結(jié)構(gòu)確實(shí)包含真實(shí)的過渡態(tài)系綜。我們沒有依據(jù)某些反應(yīng)坐標(biāo)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(shí)驗(yàn)上的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，得到與實(shí)驗(yàn)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(bǔ)充，即從低維的自由能面上選擇出真實(shí)連續(xù)軌跡上對(duì)應(yīng)的“

12、真實(shí)”的過渡態(tài)結(jié)構(gòu)。 其次，我們嘗試了不同的分布式計(jì)算的耦合參數(shù)做為軌跡分支的選擇標(biāo)準(zhǔn)，提出了新的拓?fù)湎嗨菩缘鸟詈蠀?shù)做為分布式計(jì)算的同步合成的標(biāo)準(zhǔn)，雖然耦合參數(shù)本身對(duì)模擬的采樣有一定的偏向性，但是與“steered”或者目標(biāo)驅(qū)動(dòng)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(duì)于蛋白質(zhì)折疊的問題，我們的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。在理論工作中，很多觀點(diǎn)