维生素B12输入体蛋白BtuCD的构象变化和转运机理研究
结题报告
批准号:
21473034
项目类别:
面上项目
资助金额:
85.0 万元
负责人:
王文宁
依托单位:
学科分类:
B0301.化学理论与方法
结题年份:
2018
批准年份:
2014
项目状态:
已结题
项目参与者:
宋国梁、左志成、潘超、杨艳红、张冰、刘春华
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中文摘要
ATP结合模块(ATP-binding cassette,ABC)转运体家族蛋白负责主动输运物质进出细胞膜,参与细胞的诸多重要生理过程,也是临床治疗中细菌和癌细胞抗药性的主要来源。维生素B12转运体蛋白BtuCD是ABC转运体家族转运机理研究的典型体系,本项目计划运用分子动力学模拟方法在原子水平上研究BtuCD膜蛋白构象变化的热力学和动力学,阐明底物转运机制。主要采用metadynamics等增强抽样方法计算BtuCD四个不同构象之间沿特定途径转换的自由能变化曲线(面),得到转运循环中构象变化的完整图像。研究底物结合蛋白BtuF和核苷酸分子对BtuCD构象变化的影响,澄清二者对BtuCD转运循环的调控作用。通过计算转运循环中关键蛋白构象和底物结合的自由能,阐明构象变化和底物转运的关系。分析底物转运机制中的关键氨基酸残基,通过设计突变进行实验验证,深入揭示底物转运的分子机制。
英文摘要
ATP-binding cassette(ABC)transporters actively translocate substances across cell membranes, involving in many important biological processes.They are also implicated in multidrug resistences in bacteria infection and cancer therapy. Vitamin B12 transporter BtuCD is a typical model system in the study of molecular mechanism of ABC transporters. This project aims to study the thermodynamics and kinetics of conformational movement of BtuCD at atomic level using molecular simulation methods. We will calculate the free energy profiles of conformational transition among the four conformations of BtuCD using enhanced sampling methods such as adaptive biasing force and metadynamics, obtaining the overall picture of conformational movement during translocation cycle of BtuCD. In order to elucidate the regulation roles of BtuF and nucleotides to BtuCD conformational transition, we will calculate the free energy change upon their association to the transporter. We will calculate the binding energy of substrate to the key conformations suring translocation cycle to reveal the relationship between protein conformational change and substrate translocation. By identifying the critical residues for substrate translocation, mutagenesis experiments and functional asssays will be performed to elicidate the translocation mechanism thoroughly.
ATP-结合模块(ATP-binding cassette, ABC)转运体家族蛋白负责主动输运物质进出细胞膜,参与细胞的诸多重要生理过程,也是临床治疗中细菌和癌细胞抗药性的主要来源。本项目运用分子动力学模拟,增强采样算法和马尔科夫态模型分析等计算方法研究了维生素B12转运体蛋白BtuCD-F及同家族的ABC转运体蛋白的构象动力学和底物转运的分子机理。在BtuCD的孔道闭合状态,模拟发现底物维生素B12与孔道没有特异性的相互作用,在通道细胞外侧的门径关闭是防止底物回流的关键。底物在孔道中的位置与细胞内侧门径的打开程度具有相关性。在对BtuCD后水解体系的模拟中发现,ATP水解导致核苷结合模块结构域NBD二聚体的非对称打开,L-loop在 NBD 与跨膜区的构象变化耦合中扮演了重要的角色。模拟结果也显示底物的转运是慢速过程,与最新的实验结果吻合。我们通过大规模分子动力学模拟结合马尔科夫态模型分析,发现BtuF在底物结合前后均有很高的构象柔性,补偿底物结合的熵损失,BtuF的底物结合机制不符合底物结合蛋白的经典捕蝇草结合模型。通过增强采样的metadynamics模拟,考察了MBP激活麦芽糖输入体MalFGK2水解活性的机制。通过构象变化的自由能面计算,我们发现MBP的结合明显改变输入体蛋白构象变化的自由能面构造,使得半打开构象更加稳定,两个核苷结合模块结构域互相靠近,从而促进水解反应的发生。这一研究定量地揭示了底物结合蛋白对转运体构象变化的调控以及水解活性增强机制,同时也解释了不同实验数据之间的矛盾。最后,我们结合分子动力学模拟,马尔科夫态模型分析,核磁共振和单分子荧光共振能量转移等实验方法研究了ABC转运体家族底物结合蛋白GlnBP的构象动力学。核磁共振残余偶极耦合实验数据与分子动力学模拟的四个构象组成的系综模型相吻合,其中晶体结构之前发现的“打开”和“关闭”状态只是该系综的两种主要构象。综上所述,本项目的研究揭示了BtuCD及其家族类似蛋白的构象动力学和底物转运机制,而且发展了结合多种技术的方法,可广泛用于蛋白质构象动力学性质的研究。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:10.1002/anie.201701883
发表时间:2017-06
期刊:Angewandte Chemie
影响因子:--
作者:Shaowen Wu;Dongdong Wang;Jin Liu;Yitao Feng;J. Weng;Yu Li;Xin Gao;Jianwei Liu;Wenning Wang
通讯作者:Shaowen Wu;Dongdong Wang;Jin Liu;Yitao Feng;J. Weng;Yu Li;Xin Gao;Jianwei Liu;Wenning Wang
The structural basis of Miranda-mediated Staufen localization during Drosophila neuroblast asymmetric division.
果蝇成神经细胞不对称分裂过程中米兰达介导的诗道芬定位的结构基础
DOI:10.1038/ncomms9381
发表时间:2015-10-01
期刊:Nature communications
影响因子:16.6
作者:Jia M;Shan Z;Yang Y;Liu C;Li J;Luo ZG;Zhang M;Cai Y;Wen W;Wang W
通讯作者:Wang W
DOI:10.3389/fmicb.2015.00302
发表时间:2015
期刊:Frontiers in microbiology
影响因子:5.2
作者:Wang B;Weng J;Wang W
通讯作者:Wang W
A residue outside the binding site determines the Gα binding specificity of GoLoco motifs
结合位点外的残基决定了 GoLoco 基序的 Gα 结合特异性
DOI:10.1021/acs.biochem.8b00848
发表时间:2018
期刊:Biochemistry
影响因子:2.9
作者:Chunhua Liu;Jingwei Weng;Dan Wang;Maohua Yang;Min Jia;Wenning Wang
通讯作者:Wenning Wang
Conformational Dynamics and Protein-Substrate Interaction of ABC Transporter BtuCD at the Occluded State Revealed by Molecular Dynamics Simulations
分子动力学模拟揭示了 ABC 转运蛋白 BtuCD 在封闭状态下的构象动力学和蛋白质-底物相互作用
DOI:10.1021/acs.biochem.6b00386
发表时间:2016
期刊:Biochemistry
影响因子:2.9
作者:Pan Chao;Weng Jingwei;Wang Wenning
通讯作者:Wang Wenning
人工合成跨膜水通道分子的结构和功能关系的分子模拟研究
  • 批准号:
    22377015
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    50万元
  • 批准年份:
    2023
  • 负责人:
    王文宁
  • 依托单位:
固有无序蛋白相互作用的动力学网络和机理研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    63万元
  • 批准年份:
    2020
  • 负责人:
    王文宁
  • 依托单位:
干细胞不对称分裂中Miranda介导的细胞命运决定因子复合物的结构和功能研究
  • 批准号:
    21773038
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    65.0万元
  • 批准年份:
    2017
  • 负责人:
    王文宁
  • 依托单位:
含longin结构域的SNARE蛋白Ykt6的结构与动力学研究
  • 批准号:
    31070642
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    40.0万元
  • 批准年份:
    2010
  • 负责人:
    王文宁
  • 依托单位:
ABC转运体蛋白转运机理的分子模拟研究
  • 批准号:
    20973040
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    32.0万元
  • 批准年份:
    2009
  • 负责人:
    王文宁
  • 依托单位:
Src家族蛋白功能调控和信息传递机制的结构研究
  • 批准号:
    20473019
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    8.0万元
  • 批准年份:
    2004
  • 负责人:
    王文宁
  • 依托单位:
NO生物合成中基于血红素活性中心的催化机理研究
  • 批准号:
    20103002
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    17.0万元
  • 批准年份:
    2001
  • 负责人:
    王文宁
  • 依托单位:
国内基金
海外基金