尿素转运蛋白通透机制的理论研究

Urea is ubiquitous in nature and important to many biological processes. Urea's permeation across biological membranes is facilitated by specific membrane proteins, with the most widely distributed family called urea transporters (UTs). The permeability of UTs has recently attracted increasing attentions due to its biological importance. However, all the existing literature are from the experimental perspective; a theoretical investigation toward a detailed and quantitative understanding of the physical mechanism of UT's permeability is still lacking. In this project, we will use molecular dynamics simulations to explore the physical mechanism of permeability of dvUT (urea transporter from the bacterium Desulfovibrio vulgaris) with atomic detail. In the present study, we choose dvUT for two reasons: i) it is the only UT whose crystal structure is available; ii) it is a typical UT since its amino-acid sequence resembles that of the kidney urea channels. The central region of dvUT pore is the so-called "selectivity filter", which is a constricted channel of ~ 16 ? long, and can accommodate several dehydrated urea molecules in single file. The selectivity filter is the focus of this study. Our investigation consists of three topics: unique properties of urea in the constricted channel (including the structure of one-dimensional urea wire, urea's binding sites, the permeation properties and kinetics of urea), free-energy profile of urea's permeation across selectivity filter, and physical basis of selectivity of dvUT. This study will provide a detailed understanding toward physical basis of dvUT's high permeability and selectivity for urea, and provide useful insights into the mechanism for other UTs.

尿素是生命过程中重要的有机小分子。"尿素的跨细胞膜转运"需要特定的膜蛋白协助；这些膜蛋白中，有一类家族分布最广，称为"尿素转运蛋白"。近年来，尿素转运蛋白的通透性质受到了国际上越来越多的关注。但现有的文献均为实验方面的工作，尚无理论（模拟）文章探究尿素转运蛋白通透性的物理机制。本项目拟运用分子动力学模拟方法，从原子水平上深入研究dvUT（一种典型的、现在唯一已知三维结构的尿素转运蛋白）通透性的物理机制。主要研究内容为：在dvUT的核心区域- - "选择性过滤区域"（狭长的一维通道，长约16埃）内，尿素分子的特性（结构、结合位点、输运性质和动力学行为），尿素分子穿越该区域的自由能剖面，以及该区域"选择性通透（过滤）"的物理机制。本项目的研究可以使我们比较透彻地理解为什么尿素转运蛋白dvUT对尿素分子具有高渗透性和高度的选择性，并为理解其它种类的尿素转运蛋白的通透机制提供借鉴。

尿素是生命过程中重要的有机小分子，其穿越细胞膜要靠特定的通道蛋白来辅助。dvUT是一种典型的、用于尿素的跨膜转运的膜蛋白，来源于细菌的细胞膜。dvUT的核心区域是一条狭长的一维通道，长约16埃，只容许分子以一维链的方式通过，被称为“选择性过滤区域”。此前尚无理论文章对dvUT这一重要的生物尿素通道的通透机制进行深入研究。本项目借助于全原子分子动力学方法，运用真实生物模型（尿素通道dvUT）和“选择性过滤区域”的简化模型两种模型系统，系统研究了尿素通道蛋白dvUT通透性的物理机制。通过对dvUT系统的模拟，我们研究了dvUT的结构动力学，dvUT与尿素分子结合的位点和作用方式。特别地，我们发现，“选择性过滤区域”内的若干苯丙氨酸残基，是dvUT结合尿素的重要活性位点；我们还发现了尿素分子与dvUT内极性氨基酸的一种独特的氢键结合方式。这些发现揭示了尿素通道蛋白对尿素分子高选择性的物理机制。进一步地，我们建立了dvUT的“选择性过滤区域”的简化模型，并据此研究了在疏水纳米通道内、以及在置于管壁上的点电荷周围，尿素分子和水分子的竞争性吸附，提出了尿素通道的“电致开关”机制，并发现了“尿素分子介导的电信号的转换、传导和放大”的新奇现象，以及发现了氢原子在“尿素等有机小分子在纳米通道中吸附”的重要作用。此外，根据国际上最新的研究进展，我们增加了“石墨烯、碳纳米管等碳基纳米材料与dvUT相互作用”这一研究内容，发现由于碳基纳米材料与磷脂分子以及与dvUT较强的色散相互作用，石墨烯可以对细菌细胞膜上的磷脂分子、碳纳米管可以对dvUT，进行直接的抽取，从而提供了碳基纳米材料抗菌效应的两种可能的分子机制（直接破坏细胞膜上的磷脂双分子层，或者是通过抽取细菌细胞膜上的重要膜蛋白，如dvUT，来扰乱细菌细胞膜的功能）。本项目的研究成果可以使人们更好的理解尿素穿越尿道通道蛋白dvUT的物理机制，并为理解其它种类的尿素通道蛋白的通透机制、理解碳基纳米材料抗菌效应的分子机制，提供理论借鉴。