运动对神经元钙传感蛋白结构突变调控机制的构象动力学研究

发布时间：2020-06-20 10:39

【摘要】：运动能导致体温升高,pH值下降等人体内环境变化。有研究发现,运动导致人体温度升高,并进而抑制机体持续运动的机制与温度对神经元钙传感蛋白(NCS-1)产生影响有关。而运动导致的机体pH值变化会对NCS-1产生哪些影响,这些影响又是否有可能被规避,成为了全面探讨运动影响蛋白质结构和功能的过程中亟待解决的问题。近年来,蛋白质和氨基酸在运动代谢机制中的作用愈加受到研究者们的重视,但受限于时间空间以及研究的相关成本,导致与运动相关蛋白有关的作用机制和结构变化难以得到准确的解释和验证,因此,需要研究者们进一步从研究方法上寻找突破口。NCS-1通过和不同靶蛋白相互作用来实现丰富的生理功能,而氨基酸序列的改变会对其功能的发挥起到重要影响。人类等高等动物的NCS-1氨基酸序列和存在于线虫中的此蛋白相比,前者的组氨酸在氨基酸序列的第102和83位点被替代为了其他氨基酸,并有可能因此降低了NCS-1自身在突触过程中对于pH值的敏感性。本研究通过全原子分子动力学模拟,对不同物种的NCS-1展开研究,观察ARG 102和Ser 83氨基酸突变成中性(R102H和S83H)和酸性(R102H~p和S83H~p)的组氨酸对其整体蛋白结构产生的影响,并进一步探索由进化导致的NCS-1中组氨酸的突变对蛋白质结构和功能所具有的意义。本文共计进行了累计时长达5μs微秒的分子动力学模拟,得到的主要结论如下:1.将NCS-1氨基酸序列中的ARG 102分别突变为中性和酸性pH值的His 102,发现两种突变对蛋白质结构稳定性的影响有所差异。中性pH值条件的R102H突变并未对蛋白质结构的稳定性产生显著影响,而酸性R102H~p突变显著降低了NCS-1结构的稳定性,这表明当人体酸碱平衡状态处于酸性时,NCS-1蛋白结构的稳定性将下降并会因此影响其功能的发挥,随之抑制机体继续运动。2.中性R102H和酸性R102H~p突变对NCS-1蛋白结构的局部柔性亦产生不同影响。中性pH值条件的R102H突变对loop L2的局部柔性影响较小,而酸性pH值条件的R102H~p突变更加显著的降低了NCS-1结构此处的局部柔性。酸性pH值对其产生的更大影响,说明当人体酸碱平衡状态处于酸性时,有可能不利于NCS-1功能的发挥。3.中性R102H和酸性R102H~p突变都会在一定程度上增加NCS-1中loop L3的延展性,而loop L3更加延展将会导致NCS-1功能的劣化,进而抑制机体继续运动。因此,其他物种NCS-1中的His 102在人体中突变为ARG 102,客观上实现了对于导致NCS-1功能劣化机制的规避。4.通过盐桥网络分析和动态集团网络发现,中性R102H突变和酸性R102H~p突变对NCS-1的盐桥网络中无论段内盐桥或段间盐桥的盐桥形成数量和几率产生显著影响,二者都减弱了NCS-1的段间作用并加强了其段内的联络。并且当pH值变为酸性,蛋白质的N-段和C-段之间的联系进一步削减,相互作用也进一步减弱,并会因此动力学特征的变化影响NCS-1与配体蛋白之间的相互作用。5.将NCS-1氨基酸序列中的Ser 83分别突变为中性和酸性pH值的His 83,发现两种突变均使蛋白质的稳定性下降,表明其他物种的His 83在人体中突变为ARG 83,规避了该NCS-1功能劣化机制。通过对中性S83H和酸性S83H~p突变体盐桥网络的研究,发现当蛋白质处于酸性环境时,将更强地破坏C-段的段内盐桥;同时以上两个突变也均会对蛋白质段间盐桥产生破坏作用,并会因此对NCS-1与配体结合产生的不利影响。6.突变改变了NCS-1与其他NCS家族蛋白之间相似的构象动力学特征,当人体酸碱平衡状态处于酸性时,将导致突变体构型状态对人类NCS-1及相关NCS家族蛋白的蛋白质结构的反映降低,而且突变体与野生体NCS-1间凸显出的结构差异有可能使突变体的生理功能受到影响。人体NCS-1在102和83位点自His分别突变为ARG和Ser使以上的功能破坏机制得到补偿,破坏了对于pH值的敏感性使得蛋白质可发挥正常的运动抑制作用,同时温度升高也会使NCS-1抑制运动。因此,相比于运动导致的pH值变化,运动中内环境变化因子中温度的升高是人体中NCS-1发挥正常运动抑制功能的关键因素。
【学位授予单位】：上海体育学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：G804.2
【图文】：

酰化,三维结构,人类,疏水

图 1 未酰化钙结合人类 NCS-1 的三维结构元钙传感蛋白家族的成员，其未被酰化并连接了谱法得到解析1。图 1 显示了人类 NCS-1 的三维的 ID 为 2LCP，其所包含的三个钙离子在图中含两个结构段，N-段由氨基酸序列 M1-S93 组成基酸序列 D98-V190 组成（图 1 中绿色表示），它连接1。从图中可以直观看出，NCS-1 的结构主们进而构成了四个 EF-hand 结构，其中 EF1 和 E-段。四个 EF-hand 结构中的三个（EF2，EF3 和子，而在 EF1 处保守的半胱氨酸/脯氨酸替换使eidarsson 等人的研究1发现，NCS-1 包含 9 个螺列 E11-R18），H2（E24-F34），H3（A45-Q54），HD98-Y108），H7（R118-V132），H8（E146-M155）和 H9p结构，loop 1（L1）（F56-P61），L2（G133-P145）和L螺旋结构构成了一个疏水口袋，其中螺旋 H4，H螺旋 H3，H7 和 H9 分别在两侧形成了包围口袋的首尾两端边缘将疏水口袋封闭。作为蛋白质与配进入时，loop L3 将占据疏水口袋并充当一个模

氨基酸序列,突变体,酸性,核心结构

运动对神经元钙传感蛋白结构突变调控机制的构象动力学2 展示了野生体 NCS-1 核心结构（氨基酸序列 E11-K174）在两个模拟SD 值随时间变化的图像。在图 2a 中，野生体 NCS-1 核心结构的 RMS ns 增长得非常快，这是由于在分子动力学模拟的初始阶段，蛋白质正在向生物体真实环境靠拢。在经历小范围波动后，WT-MD1 和 WT-MD 后剩余的模拟时间内分别稳定在 0.33 和 0.31 nm。通过模拟中得到值可知，野生体 NCS-1 的模拟体系较为准确地反映了生物体真实环白的结构以及动力学特征。

【参考文献】