细胞间隙连接通道和Connexons半通道输运功能的多尺度分子动力学研究

Gap junction channels constitute the most straightforward way of communication between cells, as they directly connect adjacent cytoplasmic spaces and allow the exchange of ions or molecules. They are formed by the extracellular docking of two hemichannels (or connexon) and cluster in plaques, which contain thousands of channels. Owing to the critical role that gap junction channel and connexon play in the cell, it is understandable why perturbation of their function is associated with multiple pathological states. .Despite being of fundamental importance, structural studies alone are not sufficient to understand and describe their permeation properties, which are essentially dynamical properties and depend on complex interactions between the channel and the permeating molecules. .Nevertheless, early studies, based on molecular dynamics simulations, could only partially reproduce the experimental properties of these channels, and it was hypothesized that other states of the connexon exist, that so far have remained elusive to structural and computational studies..In this project, in order to largely increase the sampling of the configuration space, we propose to use coarse grain molecular dynamics simulation. Our preliminary data show that the connexon can undergo a conformation transition in the microsecond time scale, when an external electric field mimicking the presence of the membrane potential is introduced. The new configuration appears to be larger and more permeable to ions, in agreement with experimental observations. We validated our model by designing a mutant of the connexin protein that hinders the configuration transition in our simulation, and verified our prediction with a dye uptake experiments..Our preliminary data indicate that the coarse grained model we set up can provide a new and reliable theoretical tool for the study of permeation properties of gap junction channels and connexons, thus improving our knowledge in the field of cell communication and signaling.

细胞间隙连接通道使相邻细胞的细胞质直接连通，为细胞间的离子和分子交换提供了通道，构成了细胞间通信的结构基础。间隙连接通道由分属相邻两个细胞中的半通道（Connexons）对接而成。由于间隙连接通道和半通道具有重要的生物学功能，其功能的紊乱可导致多种疾病的发生。尽管对 Connexons结构的研究非常重要，但单一的结构信息不足以了解其输运的动力学特性。早期的动力学模拟只能部分重现通道的输运性质。同时，还有研究者推测Connexons存在其它的构象，对输运功能起决定性的作用。至今此问题在结构和计算生物学领域仍无定论。在本项目中，为了增强构象空间的采样，我们选用了粗粒化力场进行分子动力学模拟研究。初步的结果显示，在引入外电场来模拟膜电位存在时，Connexons可以在几微秒内发生构象转变。同时，我们发现特定残基的突变可以阻碍Connexons的构象转变，并借助染料吸收实验对预测结果进行了验证。

间隙连接通道直接连接脊椎动物中几乎每个组织中相邻细胞的细胞质。它们由两个半通道的细胞外对接形成。半通道是连接蛋白家族中蛋白质的六聚体，在未配对时可以作为常规膜通道工作 . 半通道是连接蛋白家族中蛋白质的六聚体，在未配对时可以作为常规膜通道工作: 在生理条件下，半通道大多是闭合的，但它们可以响应于各种刺激而打开，从而允许释放自分泌和旁分泌分子。.连接蛋白半通道已被证明具有生理和病理作用，并且似乎在调解对损伤和压力的病理反应方面起着关键作用。许多出版物表明，半通道对各种刺激做出反应，这些刺激是细胞损伤的共同特征，包括机械刺激，离子浓度和pH值的变化，氧气和葡萄糖剥夺（即缺血）和氧化应激。.在该项目中，我们专注于通过基于不同尺度的分子动力学模拟（经典原子力场，粗粒度力场和量子化学计算）的分子模型来了解连接蛋白半通道的渗透特性。我们与实验小组密切合作，了解和设计实验，预测其结果，并扩大可能应用的视野。.我们成功地开发了基于分子动力学模拟的连接蛋白半通道的多尺度模型，并将其应用于不同的任务，并取得了重大成功。举例说：.1）我们用它来提出一种分子机制，解释连接素门控和细胞外钙作为半通道阻滞剂的作用。.2）我们生成了不同野生型和突变连接蛋白半通道模型。这些模型提供了一个理论框架，有助于理解不同的渗透特性以及突变如何影响它们。.3） 我们利用我们的模型来设计和表征成功干扰Cx26 半通道的抗体. 该模型帮助我们了解抗体功能的分子机制，并表明我们可以将其使用扩展到整个β亚家族，正如我们后来在实验中证明的那样。作为概念证明，抗体在突变小鼠模型体内中起作用。