發(fā)布時間：2018-04-03 03:09

  本文選題：蛋白質動態(tài)學　切入點：順磁探針　出處：《中國科學院研究生院(武漢物理與數(shù)學研究所)》2016年博士論文

【摘要】：蛋白質的結構和動態(tài)學特征是其行使功能的重要基礎。獲得高時間和空間分辨的蛋白質結構和動態(tài)學特征對了解生命運動的本質、疾病的機制以及藥物的開發(fā)等有著十分重要的意義。解析蛋白質結構和動態(tài)學的主要手段包括有：X射線晶體衍射、小角X光散射、冷凍電鏡、分子動力學模擬、熒光共振能量轉移以及固體／液體核磁共振等方法。其中,液體核磁共振和冷凍電鏡的最大優(yōu)勢就是可以觀察生物大分子在水溶液中的結構和功能的特征,其觀察的方法相比于X射線晶體衍射等方法更加趨近于生物大分子真實的生理條件。溶液順磁弛豫增強技術(solvent paramagnetic relaxation enhancement, sPRE)是近幾年發(fā)展出來的一種使用液體核磁共振來解析蛋白質的結構動態(tài)學的新手段,sPRE通過順磁中心的電子與核的偶極-偶極相互作用,提供蛋白質長程的距離和動態(tài)學的信息。傳統(tǒng)順磁弛豫增強技術(paramagnetic relaxation enhancement, PRE)研究蛋白質結構和動態(tài)學的方法是通過在蛋白質上引入Gd3+, Mn2+,氮氧自由基等順磁探針,觀察探針的順磁中心與蛋白質上核的偶極-偶極相互作用來獲取距離的信息,而sPRE實驗實際上是觀察蛋白質上核的暴露程度的信息。此外,像傳統(tǒng)PRE一樣,sPRE還可以獲得蛋白質瞬態(tài)的、低分布的動態(tài)學信息。以往通過sPRE解析蛋白質結構所使用的探針是Gd-DTPA-BMA(又稱釓雙胺,Omnicscan(?)), DTPA-BMA通過8個配位原子外加溶液中的水分子與三價釓離子形成配位。然而在許多蛋白的sPRE實驗中,我們發(fā)現(xiàn)使用Gd-DTPA-BMA探針在某些條件下會與蛋白質的H-N發(fā)生氫交換,使得sPRE值存在異常(與理論計算值和其他實驗值明顯不符),影響了sPRE對蛋白質結構描述的準確性。為了改善這一情況,我們發(fā)展了新的運用于解析蛋白質結構的溶液順磁弛豫增強的探針Gd-TTHA-TMA和Gd-DTPA-BEA,這類探針可以解決原先在使用探針Gd-DTPA-BMA時存在的氫交換問題,可以更為準確的對蛋白質結構和動態(tài)學的信息進行精確地描述。相對于傳統(tǒng)使用的Gd-DTPA-BMA探針,我們發(fā)展的Gd-TTHA-TMA可以提供10個配位基團給順磁金屬,因此可以消除水分子配位導致的氫交換對蛋白sPRE實驗值準確性的影響。我們通過對不同的蛋白進行測試,sPRE結果證實Gd-TTHA-TMA探針可以提供更加可靠的sPRE實驗值,可以對蛋白質的結構和動態(tài)學信息進行更加精確地描述。我們發(fā)現(xiàn)在某些情況下Gd-TTHA-TMA探針會與蛋白質的疏水區(qū)域發(fā)生結合,從而影響了sPRE的準確性。為此我們又開發(fā)了新的sPRE探針Gd-DTPA-BEA作為補充,與Gd-TTHA-TMA相互印證,獲取更加準確可靠的蛋白質結構動態(tài)學的信息。隨后,我們發(fā)展了一套sPRE實驗聯(lián)合分子動力學模擬來解析蛋白質結構和動態(tài)學的新方法。我們用腺苷激酶(AdK)蛋白作為研究對象,通過我們新發(fā)展的探針獲得holo態(tài)和apo態(tài)的sPRE實驗值,在分子動力學模擬的結構池中挑選吻合計算值的結構,解析出了AdK蛋白在各種狀態(tài)下的動態(tài)學特征。相較于傳統(tǒng)的PRE方法,新方法的優(yōu)勢在于可以不用連接探針影響蛋白質的結構；而相對于只能獲取兩點之間距離信息的熒光共振能量轉移方法而言,新方法可以獲得更多殘基間的距離和動態(tài)學的信息。此外,sPRE除了解析蛋白質三級結構的動態(tài)學特征以外,我們還利用sPRE實驗來解析蛋白質寡聚的四級結構的形態(tài),通過不同寡聚狀態(tài)下的human leptinW100D蛋白的sPRE實驗,我們給出了蛋白三聚的界面,搭建了human leptinW100D蛋白的寡聚的四級結構模型。除了游離態(tài)的順磁探針可以運用于sPRE實驗之外,連接在蛋白上的順磁探針可以用來解析傳統(tǒng)的PRE和PCS獲取蛋白質上距離和角度的信息。為此我們開發(fā)了一種基于點擊化學的蛋白質定點標記的順磁探針,該類探針可以通過生物正交的反應連接在蛋白質的非天然氨基酸上,具有優(yōu)異的選擇性和特異性,可以避免巰基連接探針的缺點。此外,熒光共振能量轉移(fluorescence resonance energy transfer,FRET)也是研究生物大分子結構和動態(tài)學的重要手段。我們發(fā)展了兩種用于FRET實驗的熒光探針I(yè)AM-Cyanine3和IAM-Cyanine5,其特點在于：1)相對于常用的探針,我們縮短了發(fā)光基團與蛋白質間的linker長度,使得探針具有更好的剛性,提高了FRET實驗對蛋白質結構描述的準確性；2)我們改進了熒光探針反應連接的方式,使其具有更好的反應特異性。綜上所述,本課題以發(fā)展解析蛋白質結構和動態(tài)學的化學生物學方法為主線,開發(fā)用于解析蛋白質結構和動態(tài)學的游離態(tài)的順磁探針、標記順磁探針、熒光探針為研究重點,開拓解析蛋白結構的新技術新方法,提高解析蛋白質結構和動態(tài)學的準確性。
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【學位授予單位】：中國科學院研究生院(武漢物理與數(shù)學研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：Q617;O657.3

【參考文獻】

相關期刊論文 前3條

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2 阮科;高佳;馬榮聲;;基于片段的先導化合物發(fā)現(xiàn)中的核磁應用[J];波譜學雜志;2012年02期

3 劉主;唐淳;;順磁弛豫增強技術與蛋白質瞬態(tài)結構[J];波譜學雜志;2011年03期

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本文編號：1703341