蛋白质与小分子结合亲和力变化的结构基础研究

As many globally-diverse proteins can interact with one common small molecule, our project focus on the mechanism behind this 'one-to-multiple' pattern by illuminating the structural basis of binding-affinity change between proteins and small molecules as the breaking point. To achieve this goal, four representative small molecules , ATP, FMN, TPP and AKG, are selected. For each of these small molecules, two proteins which interact with the ligand were picked as the model for our study. A series of strategic design of mutants were proposed step by step of which the biochemical data indicating the change of affinity were experimentally tested, then crystal structures of the mutants as well as their complex binding the ligand were analyzed. Meanwhile, we try to innovatively develop our own algorithm to characterize the properties of motifs for certain protein-small molecule interactions. So we can discover the possible relativity between the change of structural motifs and binding affinity through experimental observation and data analysis. Based on the result of our research, we try to summarize the general structural basis for a protein binding a specific ligand on atom or functional group level which correspond to their binding affinity thus providing theoretical foundation for rational design of proteins with certain functions.

本项目聚焦多个不同的蛋白分子均可以与一个特定小分子发生“多对一式”相互作用的机制，以阐明彼此相互作用过程中结合亲和力变化的结构基础为突破口，选择ATP（三磷酸腺苷），FMN（黄素单核酸），AKG（α-酮戊二酸）及TPP（焦磷酸硫胺素）等四种小分子作为研究对象，分别为每个小分子选定两种可与之相互作用的模式蛋白质，针对蛋白质与小分子的相互作用模块，有策略地分步完成系列蛋白突变体的分子设计、并实测亲和力变化相关的生化实验数据和解析突变体及蛋白质突变与小分子复合物结构，自主创新算法对蛋白质与小分子的结合模块属性进行表征。通过实验观测和数据处理寻找变化相关性，尝试总结蛋白质与特定小分子结合亲和力与蛋白质结构中的原子或者官能团有关特性相对应的共性结构基础，为功能蛋白的人工设计提供更可靠的理论依据。

小分子与蛋白质的相互作用，涉及生命的多种过程，如代谢及信号调控网络等。实际应用中，如制药领域，与疾病相关的蛋白功能探测和酶蛋白的设计，都需要对蛋白质和小分子相互作用有一个透彻深入的理解。.项目利用现有可获得数据，开发出了能很好区分蛋白分子中不同类型小分子结合口袋的新算法AFPPLI。对课题涉及的几种重要有机小分子（如ATP，AMP，FAD，FMN，GLC，NAD及HEM等）可获得的1598条结构信息（来源于PDB），用新算法AFPPLI在不同小分子的结合选择性方面进行了分析，所得结果优于目前已有的预测模型；对有结合亲和力记载的64个ATP结合蛋白结构也用新算法分析了与结合亲和力大小有关的结构要素；使用本课题已有的、自主开发的AFTME算法，通过对结合在蛋白中的小分子官能团模块的提取，研究了多种不同类型的官能团的结合模体(motif)在不同的配体小分子蛋白结合口袋中复用性（reusability）的表现，并呈现了出较好复用性的表现结果。籍此，本项目从近300个天然配体小分子（来源于BioLip）中拓展构建一个数量超过100个官能团的3D结合模体库，探究了一些官能团在配体小分子亲和力强弱结合口袋中贡献的差异。.开发的新算法AFPPLI，除用于蛋白结合口袋的/结合位点匹配配体的预测，且能够准确学习到结合配体小分子蛋白质特异性口袋特征，一些性能指标优于目前其它的预测模型。利用官能团的结合模体较好复用性的表现结果可以在不需要任何复合物结构模板的情况下，实现蛋白质-配体小分子相互作用的从头预测。本项目开发及优化后的算法有望应用于合成生物学及药物设计等领域。.基于本项目的资助及大科学装置提供的便利，开展了与课题密切相关的蛋白-小分子相互作用机理等结构生物学的基础性研究。.项目资助期间，发表标注资助号的SCI论文4篇（均以本项目作为第一基金标注）；2名硕士及3名博士毕业，均分获得硕士及博士学位。.