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动物毒素多肽与钾离子通道相互作用多样性的结构生物信息学研究

2020-12-28阅读(406)

动物毒素多肽与钾离子通道相互作用多样性的结构生物信息学研究

论文摘要

在自然选择的进化压力下,许多有毒动物,例如蝎、蛇、蜂、蜘蛛、海葵和芋螺等,进化出大量结构多样的作用于钾离子通道的生物活性多肽（也称为多肽毒素或毒素多肽）。钾离子通道是一个结构种类多样的膜蛋白家族,主要包含电压门控型钾离子通道、内向整流型钾离子通道、小电导钙激活钾离子通道、中等电导钙激活钾离子通道、大电导钙激活钾离子通道等。动物毒素多肽与钾离子通道相互作用不仅有助于揭示它们相互作用的结构信息,而且有助于促进动物毒索多肽的药物分子设计与应用。首先,本论文开展了蜂毒多肽与钾离子通道相互作用的结构生物信息学研究。内向整流型钾离子通道（Kir channels）是一类重要的钾离子通道,它们行使了多种重要生理功能。Tertiapin-Q （TPNQ）毒素多肽是目前已知能特异作用钾离子通道Kir的高效多肽阻断剂,它们能以1-10nM的浓度阻断鼠源Kir1.1（rKir1.1）和Kir3.1/3.4（rKir3.1/mKir3.4）通道,但TPNQ毒素和钾离子通道Kir相互作用机制仍不清楚。本论文通过计算模拟并结合实验的方法,我们模建了一个合理的rKir1.1钾离子通道结构,并进一步得到了TPNQ毒素-rKir1.1钾离子通道复合物结构模型。不同于已知的动物毒索与钾离子通道复合物模型结构,TPNQ毒素-rKir1.1钾离子通道复合物结构具有全新的结构特征。对于TPNQ毒素,它主要采用α螺旋结构域作为活性表面与钾离子通道rKir1.1孔区相互作用,并通过His12残基作为堵孔氨基酸来阻断离子通道选择性过滤器。毒素重要功能残基Gln13主要与通道孔区残基Phe148作用,Lys20残基被通道turret上Arg118、Thrl19、Glu123和Gln124残基组成的极性“凹槽”环绕。而对于rKir1.1钾离子通道,它的四个turret向孔区中心收聚,形成狭窄的孔区入口通过极性作用识另TPNQ毒素；而孔区上的Phe146、Phe148残基则形成非常强的疏水性突起,主要通过非极性作用识别毒素。钾离子通道rKir1.1的独特外庭结构与高亲和力TPNQ毒素相互作用的结构特征,可能较好地解释了钾离子通道rKirl.1对经典动物毒素多肽不敏感的原因。在此基础上,本论文进一步探讨了TPNQ毒素对钾离子通道Kir不同亚型选择性作用的机制。因此,TPNQ毒素与钾离子通道rKirl.1复合物模型结构不仅揭示了两者的独特相互作用机制,而且丰富了动物毒素与钾离子通道相互作用的多样性。其次,本论文开展了动物毒素多肽中特征分布的酸性残基对动物毒素多肽与钾离子通道相互作用多样性的影响研究。研究已表明,许多有毒动物,例如蝎、蛇、海葵和芋螺能够产生多种不同三级结构的毒素多肽来阻断钾离子通道,从而影响钾离子通道的生理或病理功能。在分子水平上,初步阐明了不同动物毒素与钾离子通道的多种不同相互作用模式,但是它们内在的分子基础仍不清楚。在本工作中,我们选择拥有两个酸性氨基酸Asp19和Asp33的天然37个氨基酸残基蝎毒素BmKTX作为模式毒素,系统研究了动物毒素酸性残基多态性分布的功能重要性。通过调整酸性氨基酸的分布,我们设计了3个具有不同酸性残基分布特征的BmKTX毒素突变体。野生型的BmKTX毒素和它的突变体多肽BmKTX-D33H、 BmKTX-D19K和BmKTX-D19K/K6D拥有相似的三级结构和阻断Kvl.3钾离子通道电流活性。它们作用Kv1.3钾离子通道的IC50值分别为0.091nM、0.015nM、0.375nM和7.3nM。对这些毒素进行丙氨酸扫描点突变实验和计算模拟研究表明,这四个多肽毒素使用了不同的结合表面识别Kv1.3钾离子通道,并且使用了不同的堵孔氨基酸来阻断通道电流。其中,BmKTX毒素使用Arg23残基作为堵孔氨基酸,而它的3个突变体多肽BmKTX-D33H、BmKTX-D19K和BmKTX-D19K/K6D则分别使用Lys26、Lys8和Lys15残基来行使堵孔功能。通过调整这些酸性氨基酸的位置,我们鉴定了四种截然不同的毒素与Kvl.3钾离子通道相互作用模式。这些发现阐明了毒素酸性氨基酸分布多态性在产生动物毒素与钾离子通道相互作用模式多样性上所发挥的“进化”功能。另外,这些发现也启示我们得到一个全新的药物设计策略：通过改变动物毒素氨基酸序列中酸性残基的分布,可以加速设计和开发新型多肽药物。综上所述,本论文揭示了不同动物毒素多肽与钾离子通道相互作用的独特结构信息及其相关机制。由于大量钾离子通道还缺乏高亲和或特异性的多肽调节剂,因此本论文工作将有助于促进靶向不同钾离子通道的多肽设计及药物开发。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 动物毒素的结构特征
  • 1.1.1 动物毒素的氨基酸序列
  • 1.1.2 动物毒素的二硫键配对形式
  • 1.1.3 动物毒素的折叠结构模式
  • 1.2 钾离子通道的结构特征
  • 1.2.1 钾离子通道结构与动物毒素的关系
  • 1.2.2 钾离子通道KcsA的结构特征
  • 1.2.3 钾离子通道的门控
  • 1.2.4 钾离子通道的电压传感器
  • 1.3 动物毒素识别钾离子通道模式的多样性
  • 1.4 钾离子通道孔区结构与功能的多样性
  • 1.5 本论文的出发点
  • Q与内向整流型钾离子通道rKir1.1相互作用的计算模拟研究'>第二章 蜂毒多肽TPNQ与内向整流型钾离子通道rKir1.1相互作用的计算模拟研究
  • 摘要
  • 2.1 引言
  • 2.2 实验原理及方法
  • 2.2.1 同源模建
  • 2.2.2 蛋白质分子对接
  • 2.2.3 分子动力学模拟
  • 2.2.4 并行计算
  • 2.3 实验步骤
  • Q毒素多肽和rKir1.1钾离子通道的空间结构'>2.3.1 同源模建TPNQ毒素多肽和rKir1.1钾离子通道的空间结构
  • Q毒素和rKir1.1钾离子通道复合物结构'>2.3.2 ZDOCK预测TPNQ毒素和rKir1.1钾离子通道复合物结构
  • Q毒素-rKir1.1钾离子通道复合物结构的分子动力学模拟'>2.3.3 TPNQ毒素-rKir1.1钾离子通道复合物结构的分子动力学模拟
  • Q-rKir1.1复合物'>2.3.4 计算机辅助丙氨酸扫描鉴定TPNQ-rKir1.1复合物
  • 2.4 实验结果
  • 2.4.1 rKir1.1钾离子通道的结构模建和优化
  • Q毒素和rKir1.1钾离子通道合理结合模式的筛选'>2.4.2 TPNQ毒素和rKir1.1钾离子通道合理结合模式的筛选
  • Q毒素与rKir1.1钾离子通道复合物的合理性'>2.4.3 TPNQ毒素与rKir1.1钾离子通道复合物的合理性
  • Q毒素识别rKir1.1钾离子通道的新颖机制'>2.4.4 TPNQ毒素识别rKir1.1钾离子通道的新颖机制
  • Q毒素的独特作用'>2.4.5 rKir1.1钾离子通道外庭识别TPNQ毒素的独特作用
  • 2.5 讨论
  • 2.5.1 动物毒素与钾离子通道相互作用的多样性
  • 2.5.2 rKir1.1钾离子通道对经典动物毒素相对不敏感的原因
  • Q毒素识别rKir1.1钾离子通道的独特策略'>2.5.3 TPNQ毒素识别rKir1.1钾离子通道的独特策略
  • Q毒素使用His12作为堵孔氨基酸残基的机制'>2.5.4 TPNQ毒素使用His12作为堵孔氨基酸残基的机制
  • Q毒素作用Kir钾离子通道亚型的选择性机制'>2.5.5 TPNQ毒素作用Kir钾离子通道亚型的选择性机制
  • 2.6 小结
  • 第三章 动物毒素的酸性氨基酸残基分布多态性对毒素-钾离子通道相互作用的影响研究
  • 摘要
  • 3.1 引言
  • 3.2 实验材料与方法
  • 3.2.1 毒素基因定点突变
  • 3.2.2 BmKTX毒素及其突变体与钾离子通道表达
  • 3.2.3 电生理实验
  • 3.2.4 BmKTX毒素及其突变体和Kv1.3钾离子通道结构准备
  • 3.2.5 分子对接与分子动力学模拟
  • 3.3 实验结果
  • 3.3.1 天然动物毒素酸性残基分布的多态性
  • 3.3.2 具有不同酸性残基分布特征的BmKTX毒素突变体的设计
  • 3.3.3 毒素分子三角形残基组点突变产生毒素的全新结合表面
  • 3.3.4 BmKTX毒素与Kv1.3钾离子通道相互作用的分子机制
  • 3.3.5 BmKTX-D33H多肽与Kv1.3钾离子通道相互作用的分子机制
  • 3.3.6 BmKTX-D19K多肽与Kv1.3钾离子通道相互作用的分子机制
  • 3.3.7 BmKTX-D19K/K6D多肽与Kv1.3钾离子通道相互作用的分子机制
  • 3.4 讨论
  • 3.4.1 改变毒素酸性残基分布产生不同毒素-钾离子通道相互作用模式
  • 3.4.2 动物毒素酸性残基在决定毒素-钾离子通道相互作用模式中的作用
  • 3.4.3 动物毒素酸性残基多态性在多肽药物发现上的应用前景
  • 3.5 小结
  • 研究总结与展望
  • 参考文献
  • 附录一
  • 博士在读期间发表的文章
  • 致谢

    • 相关论文文献

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