生物质谱环境下固定无序蛋白复合物结构预测方法的开发和应用

Intrinsically disordered protein (IDP) complexes play a pivotal role in human health and cellular functional regulations. They are widespread and important for the design of novel drugs. Developing potential drugs targeting IDP complexes requires structural characterization of these complexes. A very attractive tool of structural proteomics of IDP complexes is represented by mass spectrometry (MS), which conjugates the unique analytical power and high-throughput potential of MS with structural investigation in vacuum. However, MS alone cannot provide high-resolution structural information of IDP complex in the gas phase. Here, we plan to develop a molecular simulation-based protocol for the structural prediction of IDP complex under MS conditions. Specifically, we will apply such protocol to accurately predict the structural information of two typical and disease-related IDP complexes. Our calculations will be validated by reproducing available experimental MS data. Based on our work, we will systematically investigate the structural and dynamic behaviors of IDP complexes under MS conditions, as well as their reflections on spectrum. The protocol developed here will be useful to enlarge the molecular insight into IDP complex and MS analysis. It will also impact the development of IDP complex-based drug design and relevant analytical tools.

固定无序蛋白（IDP）复合物在人类健康和细胞功能调控中起着至关重要的作用，它们是一类在体内广泛分布且与重大疾病相关的新颖靶标。为开展基于结构的合理药物设计，确定IDP复合物的三维结构和构象行为变得尤为重要与紧迫。近年来，质谱逐渐发展为研究IDP复合物构象信息及其结构蛋白质组学不可或缺的工具之一。然而，目前人们对IDP复合物在质谱环境下的高分辨结构信息还一无所知。因此，我们拟在本项目中开发一套基于分子模拟技术的方法，对两种典型且与重大疾病相关的IDP复合物在质谱环境下的三维结构进行精准预测，并应用已知质谱实验数据对计算模拟结果进行验证。在此基础上，我们将系统地研究IDP复合物在生物质谱环境下的结构和动力学行为，及其气相物理化学性质在谱图上的反映。本项目所开发的技术方法和路线将极大的丰富人们对IDP复合物以及质谱分析的认知，并推动我国在IDP复合物靶标药物设计及其分析学研究的创新性发展。

固定无序蛋白（IDP）复合物在人类健康和细胞功能调控中起着至关重要的作用，它们是一类在体内广泛分布且与重大疾病相关的新颖靶标。为开展基于结构的合理药物设计，确定IDP复合物的三维结构和构象行为变得尤为重要与紧迫。近年来，质谱逐渐发展为研究IDP复合物构象信息及其结构蛋白质组学不可或缺的工具之一。然而，目前人们对IDP复合物在质谱环境下的高分辨结构信息还一无所知。因此，我们在本项目中开发了一套基于分子模拟技术的方法，对与重大疾病相关的IDP复合物（人源淀粉样β (1-40)二聚体，Aβ2）在质谱环境下的三维结构进行精准预测，并对质谱环境下IDP的结构学特性进行了深入研究，取得了系列创新性成果。首先，通过整合多种先进计算模拟方法，编写了适用于预测IDP复合物质子化态的杂化蒙特卡罗/分子动力学程序，并应用上述程序预测了Aβ2在质谱环境下的最低能量质子化态。对该质子化态的Aβ2进行了亚毫秒时间尺度的全原子分子动力学模拟，计算了Aβ2的碰撞截断面积。基于本套方案所得到的碰撞截断面积能够定量精准重现质谱所测量的实验值（两者差值在实验误差5%以内）；其次，基于亚毫秒时间尺度的全原子分子动力学模拟所得到的轨迹，我们系统性分析了IDP复合物的整体与局部结构特性，并与溶液状态下的对应性质进行了比较，我们发现IDP复合物在质谱环境下可以保持其固有无序的本征性质，但其二级结构的分布在两种条件下具有显著区别；此外，对IDP复合物结构动力学的研究加深了我们对其它高度柔性生物分子动态识别分子机制的理解，并将其应用于阐明具有重要生物学功能且与疾病相关的蛋白质-蛋白质/核酸复合物的结构动力学性质。本项目所开发的计算方法及获得的理论成果，丰富了人们对IDP在内的高度柔性生物分子复合物结构-功能关系以及生物质谱分析的认知，这将推动柔性生物分子复合物靶标药物设计及高效分析技术的发展。相关成果发表在Nat Chem Biol、J Phys Chem Lett、Chem Commun等国际学术期刊，共发表SCI论文12篇。