从头设计蛋白质DS119折叠机制的分子模拟研究

Protein de novo design is one of approaches to test the understanding accuracy of interactions between amino acids within protein molecule. Its ultimate purpose is to gain protein with expected function, which could be applied in biotechnology or drug design. Now, most of those de novo designed proteins could fold quite stably under usual thermodynamic condition, but their folding dynamic behaviors display some difference experimentally, comparing to naturally occurring proteins, which leads to the question that if the designed protein could play its role like naturally occurring one. In this project, using protein DS119 as model protein, which is recently de novo designed containing parallel beta-sheet in the first time, we will simulate and analysis its folding process by molecular dynamics in atomic level; obtain its folding free energy landscape by means of REMD (replica exchange molecular dynamics) method; study its folding thermodynamics and kinetics through simulations via improving coarse-grained model, and compare the results with those from atomic level, to find out the possible reasons which lead to its slow folding; together with the studied results of other de novo designed proteins, try to understand general mechanism why they have different folding dynamic characters from naturally occurring ones. This work aims to provide some insights into improving protein rational design.

蛋白质从头设计是人们对蛋白质氨基酸残基间相互作用理解的一种检验，其最终目的是设计出具有特定功能的蛋白质，进而应用于生物科技或医药设计。尽管目前设计的蛋白质大多都能在热力学条件下稳定存在，但实验表明它们的动力学折叠过程常表现得和天然蛋白质不同，使得全新设计蛋白质能否象天然蛋白质那样行使功能成为疑问。本项目将以最近从头设计出第一个具有平行beta片层的蛋白DS119为模型，通过全原子分子动力学模拟和分析其折叠过程，通过REMD(replica exchange molecular dynamics)方法得到其折叠热力学自由能曲面；改进基于结构的粗粒化模型，模拟该蛋白质折叠热力学与动力学过程，并与全原子模型得到的结果分析比较，探讨引起其折叠速率慢的可能因素；与其它从头设计蛋白质折叠的研究结果结合，分析设计蛋白质与天然蛋白质折叠不同的一般原因。希望本项目的研究能为蛋白质进一步合理化设计提供新思路。

从头设计的蛋白质因为缺少自然选择的作用，常常表现出与天然蛋白质不同的折叠特征。对这些设计蛋白质折叠过程的研究，不仅会有效补充对蛋白质折叠一般机制的理解，也为设计蛋白质的最终功能化实现提供基础。最近的实验表明，从头设计成功得到的具有平行beta片层小蛋白DS119，具有相当高的热力学稳定性，而在折叠动力学研究中它却表现出比相应序列长度的天然蛋白质慢得多的现象。进一步的检测发现，在该蛋白质的折叠过程中，出现瞬间二聚体的现象。本项目即是以这个具有beta-alpha-beta结构的小蛋白为模型，通过计算机模拟研究该蛋白质折叠的可能机制。在研究过程中，我们尝试建立了粗粒化模型和全原子分子动力学模型。前者的模型通过改进所得结果效果不是很理想，因此本项目主要的研究重心是通过全原子分子动力学方法研究该蛋白质的折叠动力学和热力学性质。一方面，通过副本交换分子动力学REMD（Replica Exchange Molecular Dynamics）方法，我们得到了该蛋白质单体在不同折叠条件下构象分布的自由能曲面，发现即使在折叠条件下，仍有几个相对稳定性的折叠中间态存在；另一方面，我们构建了双链模拟体系，通过对多条大于1us的双蛋白质体系的模拟轨迹分析，我们发现在两个蛋白质聚集的初期，聚集界面常发生在DS119的N端区域，尤其是氨基酸残基5-10的片段，而该片段是折叠态结构中形成beta片层的部分。此外，对聚集体内的单个蛋白质的结构分析发现，这些蛋白质的构象大部分落在REMD所得到的自由能曲面的折叠中间态区域。基于这些模拟结果，我们提出该蛋白质的可能折叠机理是：在折叠条件下，DS119 单体很容易陷入相对比较稳定的中间态中，而进一步扩散过程中它与另外单体产生聚集，N端区域因形成聚集界面而很难进一步折叠成天然态结构，所形成的聚集体被瞬间稳定下来，这可能就是该蛋白质折叠慢的原因。这些结果已经整理成文并投递送审。该项目的研究表明了分子动力学方法对于细致研究从头设计蛋白质复杂折叠机制的可行性，为从头设计蛋白质能向天然蛋白质那样发挥作用的功能化实现提供了研究方法和参考思路。