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摘要： 固有无序蛋白质在生理条件下没有稳定的三维结构，可以在多个不稳定构象之间动态转变。固有无序蛋白质的这种结构特征，依赖于序列特征，也影响其功能特征。固有无序蛋白质的能量势图，不同于有序蛋白质的漏斗模型，呈现锯齿状，而且具有多个势能值接近的能量极小值点。固有无序蛋白质在这些能量极小值之间动态转换。固有无序蛋白质结构柔性及结构转换的灵活性，对其功能的实现起到有利作用，这些作用不同于有序蛋白质。固有无序蛋白质的序列、结构、功能特征信息不同于有序蛋白，有待于进一步挖掘。
鞭毛是细菌的运动器官，细菌运动的快慢和方向的调节都依赖于鞭毛结构的调整。FlgM蛋白是鞭毛形成的负调节蛋白，能够控制鞭毛的生长和长度，是鞭毛运动的关键蛋白。同源FlgM蛋白是一类典型的固有无序蛋白质，具有不同的无序程度，包括全无序态和半无序态。研究同源FlgM蛋白能够帮助挖掘更多的无序和有序特征，为固有无序蛋白质的预测提供特征参数。超嗜热菌FlgM蛋白和鼠伤寒沙门氏菌FlgM蛋白是两种典型的FlgM蛋白，研究最多，本文以这两种FlgM蛋白作为研究对象。超嗜热菌FlgM蛋白的N端属于半无序区，C端属于结构化区域，结合后C端形成有序结构，N端也形成有序螺旋结构。鼠伤寒沙门氏菌FlgM蛋白的N端属于全无序区，C端属于结构化区域，结合后C端形成有序螺旋结构，而N端仍保持无序。这两种FlgM蛋白的无序性质是我们选作研究对象的主要原因。
分子动力学模拟是研究蛋白质结构特征的重要手段。固有无序蛋白质的结构柔性转换过程研究是探索固有无序蛋白质结构功能性质的重要方面。对于结构不稳定的固有无序蛋白质，实验手段的限制导致很难得到具体鲜明的结构特征。相较于实验方法，分子动力学模拟可以得到蛋白质的具体构象系综，运用多种分析工具可以得到体系的有关结构和能量信息。本论文以分子动力学模拟作为研究方法，研究温度对超嗜热菌FlgM蛋白和鼠伤寒沙门氏菌FlgM蛋白的影响及不同无序程度结构的结构特征。
本论文第一部分介绍了固有无序蛋白质、鞭毛和FlgM蛋白、温度与同源FlgM蛋白以及两种同源FlgM蛋白的序列、实验和无序程度分析。第二部分介绍了分子动力学模拟的原理及应用。第三部分是对超嗜热菌FlgM蛋白不同温度的分子动力学模拟研究，表明生理温度的差异是影响固有无序蛋白质结构的重要参数。第四部分是对超嗜热菌FlgM蛋白和鼠伤寒沙门氏菌FlgM蛋白的分子动力学模拟研究，表明全无序态、半无序态、有序态在构象松散性、二级结构、三级结构等方面具有不同的结构特征。第五部分是对本论文工作的结论及展望。
关键词: 分子动力学模拟 ；FlgM蛋白 ；全无序态 ；半无序态 ；构象特征
被引量
1
摘要： 固有无序蛋白是一类缺乏稳定构象的蛋白,在人体的众多的生理过程中发挥重要的功能。固有无序蛋白不能用固定的构象来描述,而必须用很多不同构象组成的结构系综来表示。目前,有很多实验能够检测固有无序蛋白的结构特性,但由于实验条件的约束以及固有无序蛋白本身的无序特性,使得实验观察在固有无序蛋白存在一定的限制。分子动力学模拟是一种能从原子尺度上模拟分子结构及物理化学性质的方法,能很好地描述固有无序蛋白结构系综中的关键态和动态变化过程。目前分子动力学模拟是研究固有无序蛋白的重要手段,与实验方法相辅相成。分子动力学模拟研究固有无序蛋白的结构系综对于研究固有无序蛋白的功能具有十分重要的意义。目前分子动力学主要面临着力场精确性和采样效率的问题。提高采样效率需要开发增强采样的方法,例如副本交换方法和多元动力学Metadynamics方法。本论文中我们用到的是温度副本交换方法和偏置交换多元动力学BE-META方法。其中温度副本交换方法主要原理是高温比较容易跨越自由能面上的能垒,而BE-META方法是结合副本交换方法和Metadynamics方法的一种增强采样方法。分子动力学模拟结束后可以分析蛋白的二级结构、自由能、化学位移和氢键等数据,从而更进一步地了解蛋白的结构特性。首先我们用温度副本交换方法研究了磷酸化使4E-BP2的无序的P18-R62号残基片段折叠的调控机制。4E-BP2与eIF4E的绑定能抑制mRNA帽状结构依赖的翻译起始,而磷酸化会使4E-BP2的18-62号残基从无序构象折叠成有四个平行β片的有序结构,与eIF4E的亲和力下降。磷酸化4E-BP2 18-62的G37V/G48V的突变体不能折叠成有序构象。在该部分我们用副本交换的方法研究了野生型WT、磷酸化野生型pWT和磷酸化突变体pMT的4E-BP218-62。我们得到了 WT、pWT、pMT的自由能面和自由能面上的主要构象,并发现磷酸化能显著提高4E-BP218-62结构系综中有序构象的占比。pWT的折叠路径显示在pWT折叠的过程中,依次形成两个平行β片β1/β4,三个平行β片β1/β4/β3,四个平行β片β1/β4/β3/β2的结构。β3和β4之间的β转角要先于β2和β3之间的β转角形成。两个β转角的形成是折叠过程中的主要限速步骤。WT和pWT的接触概率和接触图显示只有pT46与R20之间的强相互作用可以促进pWT的折叠,而pT37/pT46与精氨酸之间的其他长程相互作用会阻碍pWT的折叠。磷酸化能在两个β转角区域引起相似的氢键网络,局部氢键可能是磷酸化4E-BP2折叠的主要驱动力。pMT不能折叠成有序构象与β转角被破坏有关。此外,我们发现磷酸化能显著减小pWT和pMT的溶剂可及面积,推测这可能是pWT和pMT与eIF4E亲和力下降的原因。这也是为什么同为无序构象,pMT与eIF4E的亲和力比WT要小的原因。我们还发现,在无序的WT中,CHARMM36m力场得到的结构系综比ff99SB-ILDN力场更为精确,提示我们CHARMM36m力场比ff99SB-ILDN力场可能更适合于固有无序蛋白的模拟。我们分别用普通分子动力学MD方法和偏置交换多元动力学BE-META方法研究了 Aβ42。Aβ42是一种有42个残基的固有无序蛋白,其异常聚集被认为是阿尔茨海默综合症的重要的致病原因。模拟后我们计算了Aβ42的化学位移、回旋半径Rg、J耦合常数3J以及残余偶极耦合RDC,并将其与实验结果相比较。化学位移、3J的计算结果都显示BE-META方法相比普通MD方法得到的结果更接近实验结果,提示我们BE-META方法相比普通MD方法在固有无序蛋白中模拟的结果更精确。Rg的结果显示,相比普通MD方法,BE-META方法的Rg的概率分布的峰值和Rg的平均值都更接近实验结果,且BE-META的概率分布的范围更广,说明BE-META方法的计算结果更接近实验值且能采到更多的不同结构的构象。RDC的结果也显示相比普通MD方法,BE-META方法的数值更接近实验得到的数值。然而,实验和计算的RDC的相关性很低,提示我们RDC可能不能很好地描述分子动力学模拟得到的固有无序蛋白的结构特征。
关键词: 固有无序蛋白 ；折叠机制 ；β淀粉样蛋白 ；分子动力学模拟 ；增强采样方法
摘要： 神经细胞中的蛋白质聚集会诱发神经退行性疾病，包括帕金森病、老年痴呆症等。哪些蛋白质异常聚集会导致哪些疾病是近年来特别引人关注的问题。蛋白质的构象经过怎样的变化会导致其异常聚集，其聚集态的结构特征和神经细胞功能的异常又存在什么样的关系？什么因素会影响蛋白质聚集，其机制如何？蛋白质构象变化的过程中其动力学和热力学性质又是如何变化的？已经有大量的实验和理论工作在这些方面进行了研究探索，认为固有无序蛋白的聚集是导致神经退行性疾病的关键因素，但是到目前为止对于此类蛋白质聚集的详细过程和机制尚未得到全面系统地认识。相信在原子分子层面探索固有无序蛋白的聚集会加深对此类问题的理解。
利用分子动力学模拟研究蛋白质的聚集、折叠、构象动力学和热力学性质的变化，以及与其他物质的相互作用是当今国内外的一个前沿课题。由于分子动力学模拟不仅可以得到原子的运动轨迹，还可以观察到原子运动过程中各种微观细节，而实验上又很难针对结构柔性较强的固有无序蛋白进行有效的结构探测，所以利用分子动力学模拟研究此类问题具有重要的理论和实践意义。分子动力学模拟方法假定粒子的运动可以用经典力学来处理，依据凝聚态物质的原子或分子的三维排列和运动进行计算机模拟，从而对宏观物理量进行有效的计算。分子动力学可以提供模拟对象的粒子运动和微观结构的明确图像，通过计算分析获得可以与实验结果相比拟的理论结果，从而有效的将这些微观状态和物质宏观凝聚性质联系起来。分子动力学方法可以被视为“计算机实验”，根据粒子之间的相互作用势或者半经验势所得到的分子力场，计算凝聚态物质的结构以及动力学热力学性质，提出相关的物理现象，这种方法改变了传统的理论计算与实验的关系。
本论文基于分子动力学模拟方法，研究了Cu2+对α-synuclein蛋白构象变化、构象的动力学和热力学性质以及纤维化聚集的影响。主要进行了以下几个方面的工作：
（1）介绍α-synuclein蛋白，从α-synuclein蛋白与帕金森病的关系、分子结构、生理功能、纤维化聚集和Cu2+对其构象及聚集的影响这几个角度阐述了研究背景，提出利用分子动力学模拟方法研究Cu2+对α-synuclein蛋白构象变化、构象动力学和热力学性质及其纤维化聚集影响的必要性和合理性。
（2）介绍与本工作相关的分子动力学基础理论。首先给出了利用分子动力学研究凝聚态系统的前提：假定粒子运动按照经典力学即牛顿第二定律。然后比较了求解牛顿第二定律的几种积分算法，经验/半经验的分子力场。比较了几种能量优化的方法，介绍了GROMACS软件包和GROMOS分子力场。
（3）利用GROMACS软件包对Cu2+-α-synuclein（1-17）复合体和α-synuclein（1-17）肽段单体分别进行分子动力学模拟。计算了Cu2+-α-synuclein（1-17）复合体和α-synuclein（1-17）肽段单体的二级结构分布；对模拟结果进行构象聚类分析；绘制复合体与单体的自由能面；计算疏水残基溶剂可及表面积。发现Cu2+诱导固有无序蛋白α-synuclein肽段由无序向有序转变，降低了其构象的自由能，同时Cu2+增强了α-synuclein肽段的疏水性，使得α-synuclein肽段因疏水作用更倾向于形成β-折叠片结构，加速其疏水性聚集。
论文共分为五章。第一章为绪论，主要介绍了针对Cu2+影响α-synuclein蛋白结构变化及聚集的研究进展；第二章介绍了分子动力学模拟的主要理论；第三章介绍了模拟的体系和方法；第四章通过对模拟结果的计算分析，研究了Cu2+对α-synuclein蛋白聚集的影响；最后一章，对整个工作进行总结和展望。所得的结论不仅有助于理解Cu2+对α-synuclein蛋白结构变化和聚集的影响，而且对深入理解复合体构象动力学和热力学的性质也有一定意义。
关键词: 分子动力学 ；Cu2+-α-synuclein ；构象变化 ；纤维化聚集 ；自由能
被引量
3
摘要： 经过大量的实验及理论研究，认为相关固有无序蛋白的聚集是导致神经退行性疾病（如阿尔兹海默症、帕金森病等）的重要原因。但是到目前为止，还不能全面系统的认识其相应固有无序蛋白发生异常聚集的具体过程及机制。为了能够在微观层次观察固有无序蛋白的聚集，分子动力学模拟是一种重要的方法。当前分子动力学模拟已经被广泛应用于许多领域，尤其是在研究生物大分子方面。所以利用分子动力学模拟研究蛋白质，从原子分子层面得到其微观信息（如聚集，折叠，与其他蛋白质、核酸的相互作用等），是当今国内外研究的一个重要领域。分子动力学模拟是实验的有效补充，与实验研究相辅相成、相互促进。
本论文利用分子动力学模拟的方法，研究了温度变化、Cu2+对固有无序蛋白-Aβ42蛋白构象的变化、结构的稳定性以及对其异常聚集的影响。本工作主要分如下四个方面：
（1）背景知识介绍：概述了Aβ42蛋白。通过对Aβ蛋白及Aβ蛋白与阿尔兹海默症的关系，分析了影响Aβ蛋白特别是Aβ42蛋白聚集的外界因素，重点介绍了Cu2+对Aβ42蛋白构象的变化及聚集的影响。
（2）相关理论知识介绍：分子动力学。首先简要介绍了分子动力学模拟方法，分子力场。然后比较了求解牛顿第二定律的几种积分算法。最后介绍了GROMACS软件和GROMOS分子力场。
（3）研究了不同温度（300k、340k、380k）对Aβ42蛋白异常聚集的影响。在三种温度下对Aβ42蛋白分别进行分子动力学模拟。并分别计算了三种温度下Aβ42蛋白二级结构形成情况及残基主链二面角分布；三级结构的变化及稳定性；并对模拟结果进行构象聚类分析。结果发现在高温（380K）时，Aβ42蛋白二级结构有从α-helix向β-sheet转换的趋势，加速了蛋白质中β-sheet结构的形成。由于β-sheet是Aβ42蛋白聚集的基础，所以认为高温促进了Aβ42蛋白的聚集，进而可形成不溶性纤维。
（4）研究了Cu2+对Aβ42蛋白异常聚集的影响。对Aβ42蛋白单体和Cu2+-Aβ42复合体分别进行了分子动力学模拟。分别计算Aβ42蛋白单体和Cu2+-Aβ42复合体的二级结构形成情况及残基主链二面角分布；对模拟后的结果进行构象聚类分析；分析Cu2+与Aβ42蛋白结合后构象异质性的变化；最后分析了单体及复合体的自由能情况。结果发现Cu2+与Aβ42蛋白结合后，降低了其构象的自由能，且Aβ42蛋白二级结构中helix减少，β-sheet显著增多，使其更倾向于形成β-sheet结构，促进其聚集。
本论文主要内容分五章。第一章为绪论，主要介绍了Cu2+影响Aβ42蛋白结构变化及聚集的研究进展，包括Aβ蛋白与阿尔兹海默病，Aβ蛋白的分子结构和在AD中的作用，影响Aβ42蛋白聚集的外界因素。第二章主要介绍分子动力学模拟的基础理论，内容包括分子动力学模拟，分子力场，计算机模拟原理，GROMACS软件及分子动力学模拟的应用和发展。第三章为温度对Aβ42蛋白异常聚集的影响。首先介绍了体系的模拟方法，然后从蛋白质的结构稳定性、二级结构形成情况、三级结构的变化情况几个方面分析了温度变化对Aβ42蛋白异常聚集的影响。第四章介绍了Cu2+对Aβ42蛋白异常聚集的影响。先是介绍了体系的模拟方法，然后从蛋白质的二级结构、主链二面角分布、自由能、构象异质性、构象聚类等几个方面的特征，分析Cu2+对Aβ42蛋白异常聚集的影响。第五章为结语，总结了本工作的主要结论、创新点及存在的问题。
关键词: 分子动力学模拟 ；Aβ42蛋白 ；阿尔兹海默症 ；Cu2+-Aβ42 ；温度
被引量
3
摘要： 蛋白质是生物体内主要的功能性高分子化合物。由于生物体始终处于动态非平衡状态,许多环境因素如温度、pH、局部离子浓度、大分子拥挤环境以及各种配体蛋白等都会对蛋白质的结构及其运动变化产生影响。精确描述蛋白质在不同环境因素作用下的构象变化是理解各种生理过程机理的基础。传统分子生物学实验手段由于较低的时空分辨率,难以直接精确研究蛋白质构象的动态变化。理论计算特别是分子动力学模拟（Molecular dynamics simulation, MD）成为在原子尺度上研究蛋白质分子微观结构和动态变化特性的重要工具。本论文在扩展与优化课题组先前开发的MD软件包基础上,选取三个外界环境因素引发的蛋白质构象变化问题进行研究。重点分析了控制机制在竞争中的协调对蛋白质动态结构的影响。主要结果和结论如下：第二章对课题组先前开发的MD软件包GPUMD-1.0.5进行了扩展与优化,引入更加常用和精确的CHARMM27力场。通过把长程力PME算法中需要全局通讯的步骤放到CPU端计算,实现了一种GPU+CPU异构PME算法,进一步提高了程序的计算效率。新的模拟软件包命名为GPUMD-2.0。通过对多种不同体系的模拟,对程序准确性和性能进行了验证。与运行在CPU上的GROMACS-4.5.5相比,对于不同规模的模拟体系GPU MD-2.0在单GPU卡上相比单线程GROMACS可达到约6～15倍加速比,相比8线程GROMACS可达到约l-2倍加速比。与GPU加速版本的GROMACS-4.6.2相比,在相同的硬件计算条件下,GPUMD-2.0计算速度稍快,达到了较高的计算效率,为进行蛋白质结构变化的模拟打下了基础。第三章以剪切流场引发的血小板糖蛋白β-switch区域由无规则卷曲到p-折叠构象转变过程为例,研究外界流场引发的蛋白质构象变化机理。分别通过直接分子动力学、流动分子动力学以及Metadynamics等多种模拟手段对此构象转变过程进行了模拟和深入分析。尤其是通过基于路径联合变量（Path collective variable）的Metadynamics方法计算得到β-switch区域构象转变的完整自由能曲面。研究表明,在无流场作用下,体系自由能趋于最小是唯一控制机制,在其主导下β-switch区域呈现无规则卷曲状态。当引入外界流场后,流场作用引发了另一控制机制,即水分子以最小阻力通过蛋白质分子,在其主导下β-switch区域呈现β-折叠状态。两种控制机制在竞争中的协调导致了不同特征构象的交替出现,共同主导了β-switch区域构象的动态变化。第四章以固有无序蛋白α-MoRE与配体蛋白XD结合与折叠的耦合过程为例,研究结合引发的固有无序蛋白折叠机理。首先,采用并行回火（Parallel tempering）方法对孤立α-MoRE体系进行模拟；其次,采用Metadynamics与并行回火相结合的增强取样方法对α-MoRE与XD结合与折叠的耦合过程在显式溶剂中进行了全原子模拟并得到其自由能曲面。研究表明,对于孤立α-MoRE,体系自由能趋于最小是唯一控制机制,在其主导下α-MoRE呈无规则卷曲和部分折叠共存的状态。当配体蛋白XD存在时,α-MoRE与XD的结合作用引发了另一控制机制,即结合能趋于最小,在其主导下α-MoRE呈现完整α-螺旋构象。两种控制机制在竞争中的协调共同主导了α-MoRE与XD结合与折叠的耦合过程。第五章对一个更加复杂的固有无序蛋白,肿瘤抑制蛋白p53碳端结构域片段（p53CTD）进行模拟研究。首先,采用并行回火方法对孤立p53 CTD体系构象系综进行充分取样；其次,采用直接分子动力学分别对三个p53 CTD与不同配体蛋白相结合的复合物体系进行模拟研究,以考察配体蛋白存在时体系自由能与结合作用的相互关系。研究表明,对于孤立p53 CTD,体系自由能趋于最小是唯一控制机制,在其主导下p53 CTD呈无规则卷曲状态,但有一定形成二级结构的倾向。当配体蛋白存在时,来自于不同配体蛋白的结合作用引发了另一控制机制,即结合能趋于最小,在其主导下p53 CTD呈现相应的结合态构象。两种控制机制在竞争中的协调导致了不同特征构象的交替出现,而两者的相对强弱则决定了各种特征构象的取样频率随着计算机模拟软硬件的持续发展以及各种先进增强取样方法的进一步完善,更多环境因素作用下蛋白质构象变化问题可以得到建模与研究,MD体系设置应更多考虑生物体内的复杂环境。在这些工作的基础上,蛋白质结构变化的控制机制与稳定性条件也将得到进一步研究与阐述。
关键词: 控制机制 ；固有无序蛋白 ；分子动力学 ；增强取样 ；图形处理器
被引量
4