功能小分子诱导蛋白质/DNA变构调控生物信号的理论研究

Biological systems utilize allosteric modulation for integrating and responding to multiple signals. Small molecule modulators directed specifically to the biological systems would provide useful tools for understanding gene regulations, and would allow for the chemical control of allosteric modulation of biological systems. In this project allosteric modulations directed to the protein-protein and protein-DNA interfaces, and induced by small functional molecules (such as protein-recognized, energy-providing and drug molecules) will be investigated by using molecular dynamics simulation，trajectory property analysis and quantum chemistry calculations. Allosteric modulation of protein/DNA systems to communicate biological information, and to cooperate biologic functions will be also studied in this project.This sdudy will provide effect factors on allosteric modulation induced by small molecules, communication networks of allosteric residues and rule of allosteric modulation for protein and protein-DNA systems, which will be helpful for molecular biological experiments.

生物体系是利用变构调控来整合和传递多重生物信号的。利用功能小分子诱导生物体系变构调控生物信号是基因调控的有力工具，同时也为实现化学控制生物体系变构调控开辟一条可行的途径。本课题采用分子动力学模拟、模拟轨迹性质分析及量子化学计算方法研究一些功能小分子（包括：识别型、供能型、药物型小分子）诱导蛋白质/DNA及蛋白质-DNA复合体系变构，进而调控生物信号和增强生物功能的机制。通过深入研究影响小分子诱导生物体系变构调控的主要因素，探讨生物体系内残基变构传递网络，总结变构调控规律，为分子生物功能实验提供有价值的理论依据。

本项目按照预定计划和方案采用经典分子动力学和目标分子动力学模拟方法，通过DNA构象动力学、氢键及残基相关分析，在使用三点法拟合铂周围力场参数的基础上，研究了以睾酮铂药及双核铂药配合物等识别及功能型小分子调节DNA分子变构的规律；研究了顺铂、反铂、奥沙利铂药物分子分别与金属输送蛋白Atox1蛋白的相互作用机理及供能型ATP分子及底物的调节蛋白激酶A（PKA-C）变构过程。并进一步研究了生物大分子与DNA分子的相互变构机制及生物大分子自变构规律。得出的主要结论为：.（1）相对于以沟槽作用模式，以插入相互作用模式与DNA相互作用的柔性睾酮铂药能够引起更大的DNA变形。对双核铂药中两铂中心的距离与铂中心相连的DNA鸟嘌呤的距离差距越大及桥连基团的刚性越强将有利于DNA的变形，铂配合物配体的顺反结构可影响与DNA链内、链间的交联模式。顺铂和奥沙利铂配合物的顺式结构可促进Atox1蛋白间相互作用。供能型ATP与PKA-C蛋白结合起到了正协同作用，蛋白激酶PKA-C在ATP及Kemptide底物的协同调节过程可通过直接型或间接型传递网络而实现。这些变构影响规律及所涉及的变构传递网络为调控因子诱导基因复制与转录研究提供了理论基础。.（2）Smad4蛋白对R-Smad蛋白在DNA上的协同性招募的作用机理是通过DNA调控在Smad4-DNA 和R-Smad-DNA复合物表面间的变构传递网络而实现的。HipB2首先结合DNA诱导了一个从HipB2-DNA界面到HipA-HipB2界面长程的变构交流，而实现由实验报道的滞留机理的。eIF4A完成从开式到闭式的转变可以通过ATP的调控和RNA结合碱基迁移两条变构途径而实现的。CLOCK和BMAL1蛋白的bHLH结构域所形成的异源及同源二聚体可分别以矩形及对角线型碱基识别模式与DNA结合。.（3）寻找到了实验已推测但无法测定出的在纺锤体组装检测蛋白Mad2开式与闭式构象互换过程中的中间体构型。交替构象折叠D9k蛋白的两个构象AFF-D9k-N'和AFF-D9k-N呈现为互斥折叠的耦合构象特征。探究了从AFF-D9k-N'到AFF-D9k-N的结构转变过程经过两个过渡态和一个中间体构型。这些生物大分子的变构规律将为调控不同的生物体系信号传递的研究提供了理论依据。