蛋白化学交联的分子模拟方法及抗糖尿病靶标PPARγ新作用机制的综合研究

发布时间：2020-05-27 21:12

【摘要】：本论文主要涉及计算化学方法开发及在生物科学中的应用。研究主要包括两个方面：通过分子动力学模拟的方法对蛋白化学交联结果进行预测和验证；通过计算模拟和蛋白-蛋白分子对接,以及化学交联等实验方法对抗糖尿病药物靶点PPARy小分子配体抑制CDK5/p25介导的PPARy磷酸化修饰的作用机理研究。 基于质谱的蛋白化学交联多肽鉴定技术是利用小分子将蛋白上特定残基进行共价交联后再通过生物质谱鉴定出被交联的多肽序列,从而得到这些残基对在三维结构上的空间距离信息,该方法已经被广泛应用于蛋白-蛋白结合方式及蛋白结构预测研究中。虽然目前已经有多种预测蛋白中可交联残基对的计算方法,但仍然存在一定的问题,因此我们开发了一种基于分子动力学模拟的新的计算预测方法(XLMD)。该方法不同于其他仅单纯考虑空间几何关系的预测方法,通过外加拉力作用于交联剂和可修饰的残基对,来模拟交联剂和蛋白之间的相互作用,是目前唯一可以同时考虑蛋白主链和交联剂自身合理构象变化的方法。我们以文献报道的蛋白交联数据为训练集对XLMD中的关键参数进行了系统的优化,并用优化后的参数在另外一些蛋白上进行了测试,测试结果显示,XLMD假阳性率比已有的Xwalk和Rosetta预测方法降低了约一半。此外,我们与质谱实验室合作,对两个更为复杂的蛋白进行了质谱交联鉴定和计算预测。我们发现虽然XLMD和Xwalk的预测中均新出现了一定的假阴性预测,但XLMD的假阳性预测数目仍然比Xwalk少一半以上,并且.与之前提到的相对简单的蛋白相比XLMD的假阳性率没有增加,说明基于物理学基础的XLMD方法是一种更加稳定,可以普遍适用并且成功率更高的蛋白可交联残基对的预测方法。而且,通过利用更精确的物理模型和模拟方法,XLMD方法具有进一步优化和提高的潜力。 PPARy小分子配体是一类广泛使用的糖尿病治疗药物,传统认为的作用机制是作为激动剂来调控PPARy的转录活性。但近年来研究发现其配体还可以抑制CDK5/p25激酶对PPARy特定丝氨酸的磷酸化,临床数据显示该磷酸化修饰与胰岛素抵抗密切相关,因此PPARy配体的新作用机制具有极大的临床应用价值。目前,PPARy小分子配体如何抑制磷酸化的分子机理仍不清楚,因此我们结合计算模拟和实验的方法对该机制进行了初步探讨。首先,对比不同配体结合下的PPARy构象发现,配体结合并没有引起PPARy被催化丝氨酸所在区域明显的构象变化；但通过分子动力学模拟的方法,我们发现不同类型的配体对该区域有不同程度的稳定作用。其次,为了进一步研究配体是如何影响PPARy与CDK5/p25的结合,我们一方面采用蛋白-蛋白分子对接的方法对PPARy-CDK5/p25蛋白复合物的构象进行了全局刚性搜索和局部柔性搜索,筛选出了比较合理的结合方式；另一方面与质谱实验室合作,对复合物进行了化学交联和质谱鉴定,综合多次鉴定结果分析出了6对PPARy与CDK5之间可信的交联残基对。然而从结构上分析发现这6个交联对之间并不完全兼容,并且有些与发生磷酸化反应所要求的构象也不兼容,说明很可能该复合物不是唯一构象。我们进一步通过凝胶过滤层析,ITC和SPR的实验方法发现它们的相互作用较弱,没有形成均一稳定的复合物,再次暗示了多种结合方式同时存在的可能性。我们用开发的XLMD方法和质谱的鉴定结果对之前蛋白对接并筛选出的复合物构象做了进一步的分析,并最终得到实验及理论上都比较合理的PPARy-CDK5/p25结合模式。该部分得到以下结果与结论：PPARy配体没有改变该蛋白的优势构象,但可以稳定被催化位点附近区域；PPARy与CDK5/p25的相互作用非常弱并且可能有多种结合方式；我们筛选并通过交联质谱和计算的方法验证了两种可能的构象,并基于这两种构象分析了蛋白结合过程的关键因素。论文所得结果可以被用来进一步设计实验和计算方案以研究PPARy配体对PPARy-CDK5/p25复合物结合的影响。
【学位授予单位】：北京协和医学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R587.1;R3411

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