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多肽TAP亲和活性预测与分子模拟研究

作　者: 潘显超
导　师: 梅虎
学　校: 重庆大学
专　业: 生物学
关键词: TAP 选择特异性转运机理分子对接分子动力学
分类号: Q51
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

抗原加工转运蛋白(Transporter associated with antigen processing, TAP)隶属于ABC转运蛋白(ATP-binding cassette, ABC)家族，其主要生理功能是将细胞质中蛋白酶体降解的多肽片段在ATP的驱动下转运至内质网腔，并参与抗原肽-人类白细胞抗原(Human leukocyte antigen, HLA)复合物的组装过程。研究发现：TAP与多种人类疾病的发生密切相关，如自身免疫性疾病(如Ⅰ型糖尿病)、肿瘤和病毒感染等。因此，TAP结构-功能关系以及转运机理研究对于探索细胞免疫、病毒逃逸与肿瘤发生机理等均具有重要的理论意义。然而，由于缺乏TAP三维晶体结构，其结构-功能关系及转运机理至今尚不清楚。随着计算机技术的飞速发展，计算生物学方法与技术已经成为生命科学领域的一种重要研究方法，如定量构效关系(Quantitative structural-activity relationship,QSAR)、同源模建(Homology modeling)、分子对接(Molecular docking)和分子动力学(Molecular dynamics, MD)等。本文采用上述方法，针对多肽TAP亲和活性与选择特异性、ATP水解与TAP构象偶联以及TAP结构-功能关系等方面进行了探索性研究，并取得了阶段性研究成果。①应用VHSE (Principal component score vector of hydrophobic, steric, andelectronic properties)氨基酸描述子对613个抗原9肽进行结构表征，在此基础上采用支持向量回归(Support vector regression, SVR)成功建立了多肽TAP亲和活性预测模型，最优线性支持向量机模型的R2、Q2和R2ext分别为0.7386、0.7270和0.6057。结果表明：1)电性为影响TAP亲和活性的首要因素，其次是立体和疏水性质；2)底物9肽的P1(N-端)、P2、P7和P9(C-端)位氨基酸物化性质对TAP亲和活性有重要影响，而P3、P4、P5和P6位对模型贡献相对较小，P8位则与活性无关。依据最优模型对模拟点突变9肽的TAP亲和活性预测结果，同时结合变量载荷分析，对TAP的底物选择特异性进行了分析和总结。②为探索ATP水解与TAP-NBD构象变化的偶联关系，论文以TAP1-NBD晶体结构为模板，构建了4种核苷酸结合构象，即ATP/ATP、ATP/ADP、ADP/ADP和NOATP，并分别进行了80ns的分子动力学模拟研究。结果显示：对于ATP/ATP结合构象，NBD的重要结构域以及保守氨基酸残基间的距离相对稳定，NBD1-NBD2以及ATP-NBD间的氢键相互作用对维系构象的稳定有重要作用；对于ATP/ADP结合构象，除结合ADP位点中A-loop与C-loop的距离增加外，其他结构域间的距离均不同程度减小；对于ADP/ADP结合构象，所有重要结构域间的距离均增加；而对于NOATP结合构象，距离均减小。以上研究结果表明：当NBD结合2个ATP时，可形成相对稳定的二聚体结构；ATP水解可引起NBD的A-loop和α螺旋亚结构域(不包括C-loop)的构象改变。当NBD结合ATP/ADP或NOATP时，NBD1-NBD2接触表面相互作用更加复杂，ATP结合位点仍结合紧密，甚至进一步二聚化；而当NBD结合2个ADP，即ATP全部水解时，2个结合位点均处于开放状态，表明在底物转运过程中，ATP水解后仅释放出磷酸基团，生成的ADP仍保留在结合位点中。研究结果暗示：TAP在底物转运过程中ATP水解过程与“开关”模型基本一致。③以3个ABC转运蛋白晶体结构作为TAP模板分子，构建了4个TAP分子模型，并采用PROCHECK、WHAT_CHECK和ERRAT等方法对上述模型进行质量评价。在此基础上，利用上述模型对TAP转运底物前后的构象变化进行了比较研究。结果显示：基于P-gp和TM0287/0288构建的3个TAP模型接近底物转运前的初始构象；而基于Sav1866构建的TAP模型则接近底物转运后的构象。基于上述2种不同构象和多序列比对结果，对TMD结构域中的保守氨基酸残基的功能进行了细致的分析。研究表明：TAP的TMH2与TMH5间的π-π堆积作用以及内质网侧的TAP-ELs间的相互作用均与底物转运过程中跨膜螺旋构象的改变密切相关。此外，结合相关实验研究结果，对TAP结合和转运底物起关键作用的氨基酸残基进行了分析和讨论。④以基于P-gp和TM0287/0288构建的3个TAP模型为受体模型，具亲和活性的参考9肽(RRYQKSTEL)为配体，采用Surflex-Dock分子对接方法对底物与TAP结合口袋的作用模式进行了探索性研究。初步研究结果显示：9肽以一种相对扭曲的构象与TAP结合口袋相互作用，其N端和C端残基间的距离约为2.2nm。以TM0287/0288为模板的受体模型对接结果表明：参考9肽的N端和C端相对固定，分别与TAP负电性口袋pocket1和(或)pocket2以及正电性口袋pocket3和(或)pocket4发生相互作用。以P-gp为模板的受体模型对接结果显示：9肽C端可与pocket3发生相互作用，而由于结合口袋间的距离过大导致9肽N端不能与pocket1和(或)pocket2结合，表明该受体模型可能不适合底物多肽的结合。研究结果暗示：底物多肽与TAP结合时，其N端和C端可能相对固定，并分别与电性结合口袋发生相互作用，而中间区域的构象则相对扭曲。随着跨膜蛋白的结构测定技术和相关计算机分子模拟技术的不断改进，将极大的促进TAP结构的解析及其转运机理的研究。在目前情况下，本文前期探索性的研究结果可为今后TAP转运机理研究提供重要线索和研究思路，同时对TAP抑制剂药物研发、细胞免疫以及肿瘤等疾病的机理研究具有重要参考价值。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
1 绪论  11-23
  1.1 ABC 转运蛋白  11-12
  1.2 TAP 结构与功能  12-16
    1.2.1 NBD 结构域  12-15
    1.2.2 TMD 结构域  15-16
  1.3 TAP 转运机理  16-20
    1.3.1 NBD-NBD 二聚化  16-17
    1.3.2 ATP 水解机理  17-18
    1.3.3 TMD-NBD 间的信号传导与 TAP 构象重排  18-19
    1.3.4 TAP 转运机理  19-20
  1.4 TAP 的底物选择特异性  20-21
  1.5 本文的主要研究内容  21-23
2 原理和方法  23-37
  2.1 抗原肽的结构表征  23
  2.2 支持向量机与逐步回归  23-24
  2.3 分子动力学模拟  24-30
    2.3.1 基本思想  24-25
    2.3.2 基本算法  25-26
    2.3.3 分子力场  26-28
    2.3.4 一般步骤  28-30
  2.4 同源模建  30-33
  2.5 分子对接  33-37
    2.5.1 分子对接原理  33-34
    2.5.2 分子对接方法  34
    2.5.3 Surflex-Dock 对接原理  34-37
3 TAP 亲和活性预测  37-43
  3.1 数据来源与处理  37
  3.2 结果分析与讨论  37-41
    3.2.1 MSR-SVM 建模  37-38
    3.2.2 TAP 对底物的选择特异性  38-41
  3.3 结论  41-43
4 ATP 水解与 NBD 构象偶联关系研究  43-57
  4.1 数据来源与处理  43
  4.2 MD 模拟过程  43-44
  4.3 结果分析与讨论  44-56
    4.3.1 模拟过程中体系的温度和能量变化  44-45
    4.3.2 NBD 二聚体初始构象的构建  45-48
    4.3.3 ATP 水解与 NBD 构象变化的偶联关系  48-53
    4.3.4 核苷酸与蛋白以及蛋白与蛋白相互作用  53-55
    4.3.5 ATP 水解机理  55-56
  4.4 结论  56-57
5 TAP 同源模建  57-71
  5.1 数据来源与处理  57
  5.2 同源模建过程及结果  57-63
    5.2.1 搜索和选择模板  57-59
    5.2.2 多序列比对  59-60
    5.2.3 同源模建  60-61
    5.2.4 模型质量评价  61-63
  5.3 TAP 同源模型分析与讨论  63-69
    5.3.1 NBD 结构域  63-66
    5.3.2 TMD 结构域  66-68
    5.3.3 底物结合位点  68-69
  5.4 结论  69-71
6 TAP 同源模型与多肽的分子对接研究  71-79
  6.1 数据来源与处理  71
  6.2 结果分析与讨论  71-77
    6.2.1 底物结合口袋  71-74
    6.2.2 以 TM0287/0288 为模板的 TAP 对接结果  74-75
    6.2.3 以 P-gp 为模板的 TAP 对接结果  75-77
    6.2.4 底物多肽与 TAP 的结合模式  77
  6.3 结论  77-79
7 结论与展望  79-83
  7.1 研究结论  79-80
  7.2 前景展望  80-83
致谢  83-85
参考文献  85-95
附录  95-96
  A. 分子动力学模拟输入文件  95
  B. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录  95-96
  C. 作者在攻读学位期间参与的科研项目  96

多肽TAP亲和活性预测与分子模拟研究

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