蛋白质液-液相分离的模拟研究
批准号:
32071250
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
张竹青
依托单位:
学科分类:
物理生物学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
张竹青
中文摘要
液-液相分离(比如水油混合后的液滴)是自然界普遍存在的现象。直到最近,研究人员才发现细胞内参与许多重要生理病理过程的无膜细胞器是由生物大分子的液-液相分离形成。随着研究的不断深入,越来越多的蛋白被证实参与不同无膜细胞器的形成。体外实验对相分离现象的重构揭示了生物大分子的多价相互作用是相分离发生的主要驱动力。但各种可以形成多价相互作用的分子间作用如静电、阳离子-π、π-π、疏水的贡献大小如何,可形成液-液相分离的蛋白质有什么样的序列分布特征,目前还没有系统的研究。本项目拟FUS和TDP-43的功能区片段为体系,通过粗粒化模型模拟相分离发生的过程,并结合对蛋白质相分离数据库的统计分析,揭示蛋白质液-液相分离的分子机制。同时,通过全原子模拟方法,探讨相分离中液态凝聚体内部的蛋白质分子结构和构象分布。该研究有助于相关疾病的理解,并可为其预防或治疗,以及相关生物材料的设计和应用提供理论指导。
英文摘要
Liquid–liquid phase separation (LLPS) is a pervasive phenomenon in nature, such as mixing of water and oil leads to the formation of droplets. Until recent years, researchers discovered that LLPS underlies the formation of membraneless organelles (MLOs) in cell, which play important roles in both physiology and pathology. More and more proteins have been indicated to intermediate the formation of various MLOs through LLPS. The in vitro experiments indicate multi-valent interactions, such as electrostatic interaction, cation-π、π-π and hydrophobic interaction are the driving forces of biomolecular LLPS. However, how these different kinds of interaction contribute to LLPS, as well as what’s the sequence distribution feature of proteins which intermediate LLPS, are not clear yet. In this project, using the functional regions of FUS and TDP-43 as model systems, their LLPS will be simulated based on coarse-grained model. Further, by combing with the statistical analysis of LLPS related databases, the molecular mechanism of protein LLPS will be investigated thoroughly. Meantime, the intrinsic structure and conformation distribution of proteins within the condensates will be discovered through all-atomic simulations. This project would provide new insights into the understanding of related diseases, and could provide theoretical basis for the prevention or treatment of them, as well as for the rational design of related biomolecular materials.
近年来,生物大分子液液相分离(LLPS)因与许多生理病理过程密切相关而受到研究人员的广泛关注。尽管实验上已经发现蛋白质的天然无序区域(IDR)在相分离过程中具有重要的作用,且普遍认为体系中分子间多价相互作用驱动凝聚液滴的形成,但并不清楚不同类型的相互作用之间如何调控(协同或抑制)LLPS的发生,因此对蛋白质的LLPS分子机制还缺乏深入理解。本项目通过计算机模拟,对模型蛋白的LLPS驱动因素和溶解剂1,6-己二醇对LLPS的影响做了探讨,并结合机器学习/深度学习方法发展了相分离蛋白质及相关的预测算法。本项目取得的研究成果主要包括:(1)通过粗粒化模拟研究了Tau蛋白K18区域LLPS的驱动力及磷酸化和RNA的调控机制。结果发现模拟体系的LLPS过程主要由疏水熵驱动,磷酸化或加入RNA中和了体系中剩余正电荷的同时,也协同地增加了疏水熵的贡献,进而使得体系更易相分离。(2)通过全原子分子动力学模拟研究了1,6-己二醇对无序多肽EBNALP-1的LLPS稀相和浓缩相内多肽构象影响及相互作用机制。结果表明1,6-己二醇破坏了多肽残基间相互作用使得链更伸展,分配系数的计算结果显示各类氨基酸都更易结合1,6-己二醇,其中LEU和ILE最明显。(3)更新并发布了体外LLPS蛋白质数据库LLPSDB v2.0,为研究人员提供了一个更全面、更方便获取的相分离蛋白质研究资源,并基于其中更新的数据比较评估了现有相分离蛋白质预测工具,为算法的改进提供了参考。(4)基于蛋白质语言预训练模型ESM2和图神经网络,发展了具有可解释性的相分离蛋白质的预测算法SEPredictor;基于机器学习方法发展了识别LLPS/淀粉样聚集蛋白质的方法FLFB。(5)结合现有数据库和相关预测算法,以核糖核蛋白颗粒中人源蛋白质为例统计分析了具有重要生物功能的线性短模体(SLiMs)在LLPS中的作用,发现大部分SLiMs可能参与驱动LLPS,SLiMs介导的蛋白质相互作用网络为理解SLiMs在LLPS中的作用与其生物学功能的关联提供了更丰富的信息。
蛋白质凝聚体液—固转变“分子语法”的计算研究
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批准号:32571441
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项目类别:面上项目
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资助金额:50.00万元
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批准年份:2025
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负责人:张竹青
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依托单位:
蛋白质液-液相分离的模拟研究
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批准号:--
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项目类别:--
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资助金额:58万元
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批准年份:2020
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负责人:张竹青
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依托单位:
磷酸化修饰对天然无序蛋白质的结构调控研究
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批准号:31870718
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项目类别:面上项目
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资助金额:59.0万元
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批准年份:2018
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负责人:张竹青
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依托单位:
从头设计蛋白质DS119折叠机制的分子模拟研究
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批准号:31200548
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:23.0万元
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批准年份:2012
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负责人:张竹青
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依托单位:
国内基金
海外基金