Mpro-C蛋白三维结构域交换的机理: 来自分子模拟的线索

黄永棋 康雪 夏斌 刘志荣

引用本文: 黄永棋, 康雪, 夏斌, 刘志荣. Mpro-C蛋白三维结构域交换的机理: 来自分子模拟的线索[J]. 物理化学学报, 2012, 28(10): 2411-2417. doi: 10.3866/PKU.WHXB201209072 shu
Citation:  HUANG Yong-Qi, KANG Xue, XIA Bing, LIU Zhi-Rong. Mechanism of 3D Domain Swapping for Mpro-C: Clues from Molecular Simulations[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2012, 28(10): 2411-2417. doi: 10.3866/PKU.WHXB201209072 shu

Mpro-C蛋白三维结构域交换的机理: 来自分子模拟的线索

  • 基金项目:

    国家重点基础研究发展计划项目(973) (2009CB918500, 2003CB514104) (973) (2009CB918500, 2003CB514104)

    国家自然科学基金(20973016, 10721403, 31170682)资助 (20973016, 10721403, 31170682)

摘要:

SARS冠状病毒主蛋白酶(Mpro)在病毒的蛋白酶切过程中发挥着重要作用. Mpro的晶体结构显示它存在两种形式的二聚体: 一种是发生三维结构域交换的形式, 另一种是非交换的形式. Mpro的C端结构域(Mpro-C)单独表达时也能形成与全长Mpro类似的三维结构域交换二聚体. 三维结构域交换通常发生在蛋白质的表面, 但Mpro-C 的结构域交换却发生在疏水核心. 在本文中, 我们利用分子动力学模拟及三维结构域交换预测算法研究了Mpro-C 中被高度埋藏的核心螺旋片段发生交换的机理. 我们发现基于结构与基于序列的已有算法都不能正确预言出Mpro-C和Mpro中发生结构域交换的铰链区位置. 分子模拟结果表明Mpro-C中的交换片段在天然态下埋藏得很好, 但在变性单体中则会被释放并暴露在外面. 因此, 在完全或部分解折叠状态下交换片段的打开有助于促进单体间的相互作用及结构域交换二聚体的形成.

English

    1. [1]

      (1) Bennett, M. J.; Schlunegger, M. P.; Eisenberg, D. Protein Sci.1995, 4, 2455. doi: 10.1002/pro.v4:12

      (1) Bennett, M. J.; Schlunegger, M. P.; Eisenberg, D. Protein Sci.1995, 4, 2455. doi: 10.1002/pro.v4:12

    2. [2]

      (2) Nelson, R.; Eisenberg, D. Curr. Opin. Struct. Biol. 2006, 16,260. doi: 10.1016/j.sbi.2006.03.007(2) Nelson, R.; Eisenberg, D. Curr. Opin. Struct. Biol. 2006, 16,260. doi: 10.1016/j.sbi.2006.03.007

    3. [3]

      (3) Liu, C.; Sawaya, M. R.; Eisenberg, D. Nat. Struct. Mol. Biol.2011, 18, 49. doi: 10.1038/nsmb.1948(3) Liu, C.; Sawaya, M. R.; Eisenberg, D. Nat. Struct. Mol. Biol.2011, 18, 49. doi: 10.1038/nsmb.1948

    4. [4]

      (4) ?erovnik, E.; Stoka, V.; Mirti?, A.; Gun?ar, G.; Grdadolnik, J.;Staniforth, R. A.; Turk, D.; Turk, V. FEBS J. 2011, 278, 2263.doi: 10.1111/j.1742-4658.2011.08149.x(4) ?erovnik, E.; Stoka, V.; Mirti?, A.; Gun?ar, G.; Grdadolnik, J.;Staniforth, R. A.; Turk, D.; Turk, V. FEBS J. 2011, 278, 2263.doi: 10.1111/j.1742-4658.2011.08149.x

    5. [5]

      (5) Bennett, M. J.; Sawaya, M. R.; Eisenberg, D. Structure 2006,14, 811. doi: 10.1016/j.str.2006.03.011(5) Bennett, M. J.; Sawaya, M. R.; Eisenberg, D. Structure 2006,14, 811. doi: 10.1016/j.str.2006.03.011

    6. [6]

      (6) Bergdoll, M.; Eltis, L. D.; Cameron, A. D.; Dumas, P.; Bolin, J.T. Protein Sci. 1998, 7, 1661. doi: 10.1002/pro.v7:8(6) Bergdoll, M.; Eltis, L. D.; Cameron, A. D.; Dumas, P.; Bolin, J.T. Protein Sci. 1998, 7, 1661. doi: 10.1002/pro.v7:8

    7. [7]

      (7) D'Alessio, G. Prog. Biophys. Mol. Biol. 1999, 72, 271. doi: 10.1016/S0079-6107(99)00009-7(7) D'Alessio, G. Prog. Biophys. Mol. Biol. 1999, 72, 271. doi: 10.1016/S0079-6107(99)00009-7

    8. [8]

      (8) Hadjithomas, M.; Moudrianakis, E. N. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2011, 108, 13462. doi: 10.1073/pnas.1108649108(8) Hadjithomas, M.; Moudrianakis, E. N. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2011, 108, 13462. doi: 10.1073/pnas.1108649108

    9. [9]

      (9) Schymkowitz, J.W. H.; Rousseau, F.;Wilkinson, H. R.;Friedler, A.; Itzhaki, L. S. Nat. Struct. Biol. 2001, 8, 888. doi: 10.1038/nsb1001-888(9) Schymkowitz, J.W. H.; Rousseau, F.;Wilkinson, H. R.;Friedler, A.; Itzhaki, L. S. Nat. Struct. Biol. 2001, 8, 888. doi: 10.1038/nsb1001-888

    10. [10]

      (10) Shi, Q.; Maruthamuthu, V.; Li, F.; Leckband, D. Biophys. J.2010, 99, 95. doi: 10.1016/j.bpj.2010.03.062(10) Shi, Q.; Maruthamuthu, V.; Li, F.; Leckband, D. Biophys. J.2010, 99, 95. doi: 10.1016/j.bpj.2010.03.062

    11. [11]

      (11) Liu, Y. S.; Eisenberg, D. Protein Sci. 2002, 11, 1285. doi: 10.1110/ps.0201402(11) Liu, Y. S.; Eisenberg, D. Protein Sci. 2002, 11, 1285. doi: 10.1110/ps.0201402

    12. [12]

      (12) Gronenborn, A. M. Curr. Opin. Struct. Biol. 2009, 19, 39. doi: 10.1016/j.sbi.2008.12.002(12) Gronenborn, A. M. Curr. Opin. Struct. Biol. 2009, 19, 39. doi: 10.1016/j.sbi.2008.12.002

    13. [13]

      (13) Huang, Y.; Cao, H.; Liu, Z. Proteins 2012, doi: 10.1002/prot.24055.(13) Huang, Y.; Cao, H.; Liu, Z. Proteins 2012, doi: 10.1002/prot.24055.

    14. [14]

      (14) Ding, F.; Prutzman, K. C.; Campbell, S. L.; Dokholyan, N. V.Structure 2006, 14, 5. doi: 10.1016/j.str.2005.09.008(14) Ding, F.; Prutzman, K. C.; Campbell, S. L.; Dokholyan, N. V.Structure 2006, 14, 5. doi: 10.1016/j.str.2005.09.008

    15. [15]

      (15) Yang, S. C.; Cho, S. S.; Levy, Y.; Cheung, M. S.; Levine, H.;Wolynes, P. G.; Onuchic, J. N. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.2004, 101, 13786. doi: 10.1073/pnas.0403724101(15) Yang, S. C.; Cho, S. S.; Levy, Y.; Cheung, M. S.; Levine, H.;Wolynes, P. G.; Onuchic, J. N. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.2004, 101, 13786. doi: 10.1073/pnas.0403724101

    16. [16]

      (16) Chen, Y.W.; Dokholyan, N. V. J. Mol. Biol. 2005, 354, 473. doi: 10.1016/j.jmb.2005.09.075(16) Chen, Y.W.; Dokholyan, N. V. J. Mol. Biol. 2005, 354, 473. doi: 10.1016/j.jmb.2005.09.075

    17. [17]

      (17) Chahine, J.; Cheung, M. S. Biophys. J. 2005, 89, 2693. doi: 10.1529/biophysj.105.062679(17) Chahine, J.; Cheung, M. S. Biophys. J. 2005, 89, 2693. doi: 10.1529/biophysj.105.062679

    18. [18]

      (18) Song, G.; Jernigan, R. L. Proteins 2006, 63, 197. doi: 10.1002/prot.20836(18) Song, G.; Jernigan, R. L. Proteins 2006, 63, 197. doi: 10.1002/prot.20836

    19. [19]

      (19) Rousseau, F.; Schymkowitz, J.W. H.; Itzhaki, L. S. Structure2003, 11, 243. doi: 10.1016/S0969-2126(03)00029-7(19) Rousseau, F.; Schymkowitz, J.W. H.; Itzhaki, L. S. Structure2003, 11, 243. doi: 10.1016/S0969-2126(03)00029-7

    20. [20]

      (20) Zhang, S.; Zhong, N.; Xue, F.; Kang, X.; Ren, X.; Chen, J.; Jin,C.; Lou, Z.; Xia, B. Protein Cell 2010, 1, 371. doi: 10.1007/s13238-010-0044-8(20) Zhang, S.; Zhong, N.; Xue, F.; Kang, X.; Ren, X.; Chen, J.; Jin,C.; Lou, Z.; Xia, B. Protein Cell 2010, 1, 371. doi: 10.1007/s13238-010-0044-8

    21. [21]

      (21) Yang, H.; Yang, M.; Ding, Y.; Liu, Y.; Lou, Z.; Zhou, Z.; Sun,L.; Mo, L.; Ye, S.; Pang, H.; Gao, G. F.; Anand, K.; Bartlam,M.; Hilgenfeld, R.; Rao, Z. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2003,100, 13190. doi: 10.1073/pnas.1835675100(21) Yang, H.; Yang, M.; Ding, Y.; Liu, Y.; Lou, Z.; Zhou, Z.; Sun,L.; Mo, L.; Ye, S.; Pang, H.; Gao, G. F.; Anand, K.; Bartlam,M.; Hilgenfeld, R.; Rao, Z. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2003,100, 13190. doi: 10.1073/pnas.1835675100

    22. [22]

      (22) Zhong, N.; Zhang, S. N.; Xue, F.; Kang, X.; Zou, P.; Chen, J. X.;Liang, C.; Rao, Z. H.; Jin, C.W.; Lou, Z. Y.; Xia, B. Protein Sci.2009, 18, 839.(22) Zhong, N.; Zhang, S. N.; Xue, F.; Kang, X.; Zou, P.; Chen, J. X.;Liang, C.; Rao, Z. H.; Jin, C.W.; Lou, Z. Y.; Xia, B. Protein Sci.2009, 18, 839.

    23. [23]

      (23) Berendsen, H. J. C.; van der Spoel, D.; van Drunen, R. Comp. Phys. Commun. 1995, 91, 43. doi: 10.1016/0010-4655(95)00042-E(23) Berendsen, H. J. C.; van der Spoel, D.; van Drunen, R. Comp. Phys. Commun. 1995, 91, 43. doi: 10.1016/0010-4655(95)00042-E

    24. [24]

      (24) Hess, B.; Kutzner, C.; Spoel, D. v. d.; Lindahl, E. J. Chem. Theory Comput. 2008, 4, 435. doi: 10.1021/ct700301q(24) Hess, B.; Kutzner, C.; Spoel, D. v. d.; Lindahl, E. J. Chem. Theory Comput. 2008, 4, 435. doi: 10.1021/ct700301q

    25. [25]

      (25) Kaminski, G. A.; Friesner, R. A.; Tirado-Rives, J.; Jorgensen,W.L. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 6474. doi: 10.1021/jp003919d(25) Kaminski, G. A.; Friesner, R. A.; Tirado-Rives, J.; Jorgensen,W.L. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 6474. doi: 10.1021/jp003919d

    26. [26]

      (26) Berendsen, H. J. C.; Grigera, J. R.; Straatsma, T. P. J. Phys. Chem. 1987, 91, 6269. doi: 10.1021/j100308a038(26) Berendsen, H. J. C.; Grigera, J. R.; Straatsma, T. P. J. Phys. Chem. 1987, 91, 6269. doi: 10.1021/j100308a038

    27. [27]

      (27) Darden, T.; York, D.; Pedersen, L. J. Chem. Phys. 1993, 98,10089. doi: 10.1063/1.464397(27) Darden, T.; York, D.; Pedersen, L. J. Chem. Phys. 1993, 98,10089. doi: 10.1063/1.464397

    28. [28]

      (28) Hess, B.; Bekker, H.; Berendsen, H. J. C.; Fraaije, J. G. E. M.J. Comput. Chem. 1997, 18, 1463. doi: 10.1002/(ISSN)1096-987X(28) Hess, B.; Bekker, H.; Berendsen, H. J. C.; Fraaije, J. G. E. M.J. Comput. Chem. 1997, 18, 1463. doi: 10.1002/(ISSN)1096-987X

    29. [29]

      (29) Bussi, G.; Donadio, D.; Parrinello, M. J. Chem. Phys. 2007,126, 014101. doi: 10.1063/1.2408420(29) Bussi, G.; Donadio, D.; Parrinello, M. J. Chem. Phys. 2007,126, 014101. doi: 10.1063/1.2408420

    30. [30]

      (30) Parrinello, M.; Rahman, A. J. Appl. Phys. 1981, 52, 7182. doi: 10.1063/1.328693(30) Parrinello, M.; Rahman, A. J. Appl. Phys. 1981, 52, 7182. doi: 10.1063/1.328693

    31. [31]

      (31) Kabsch,W.; Sander, C. Biopolymers 1983, 22, 2577. doi: 10.1002/(ISSN)1097-0282(31) Kabsch,W.; Sander, C. Biopolymers 1983, 22, 2577. doi: 10.1002/(ISSN)1097-0282

    32. [32]

      (32) Humphrey,W.; Dalke, A.; Schulten, K. J. Mol. Graph. 1996, 14,33. doi: 10.1016/0263-7855(96)00018-5(32) Humphrey,W.; Dalke, A.; Schulten, K. J. Mol. Graph. 1996, 14,33. doi: 10.1016/0263-7855(96)00018-5

    33. [33]

      (33) Shameer, K.; Pugalenthi, G.; Kandaswamy, K. K.; Sowdhamini,R. Protein Pept. Lett. 2011, 18, 1010. doi: 10.2174/092986611796378729(33) Shameer, K.; Pugalenthi, G.; Kandaswamy, K. K.; Sowdhamini,R. Protein Pept. Lett. 2011, 18, 1010. doi: 10.2174/092986611796378729

    34. [34]

      (34) Merlino, A.; Vitagliano, L.; Ceruso, M. A.; Mazzarella, L.Biophys. J. 2004, 86, 2383. doi: 10.1016/S0006-3495(04)74295-2(34) Merlino, A.; Vitagliano, L.; Ceruso, M. A.; Mazzarella, L.Biophys. J. 2004, 86, 2383. doi: 10.1016/S0006-3495(04)74295-2

    35. [35]

      (35) Kundu, S.; Jernigan, R. L. Biophys. J. 2004, 86, 3846. doi: 10.1529/biophysj.103.034736(35) Kundu, S.; Jernigan, R. L. Biophys. J. 2004, 86, 3846. doi: 10.1529/biophysj.103.034736

    36. [36]

      (36) Merlino, A.; Ceruso, M. A.; Vitagliano, L.; Mazzarella, L.Biophys. J. 2005, 88, 2003. doi: 10.1529/biophysj.104.048611(36) Merlino, A.; Ceruso, M. A.; Vitagliano, L.; Mazzarella, L.Biophys. J. 2005, 88, 2003. doi: 10.1529/biophysj.104.048611

    37. [37]

      (37) Cailliez, F.; Lavery, R. Biophys. J. 2006, 91, 3964. doi: 10.1529/biophysj.106.087213(37) Cailliez, F.; Lavery, R. Biophys. J. 2006, 91, 3964. doi: 10.1529/biophysj.106.087213

    38. [38]

      (38) Kang, X.; Zhong, N.; Zou, P.; Zhang, S.; Jin, C.; Xia, B. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2012, 109, 14900. doi: 10.1073/pnas.1205241109.(38) Kang, X.; Zhong, N.; Zou, P.; Zhang, S.; Jin, C.; Xia, B. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2012, 109, 14900. doi: 10.1073/pnas.1205241109.

    39. [39]

      (39) Liu, L.; Byeon, I. J.; Bahar, I.; Gronenborn, A. M. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 4229. doi: 10.1021/ja210118w(39) Liu, L.; Byeon, I. J.; Bahar, I.; Gronenborn, A. M. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 4229. doi: 10.1021/ja210118w

    40. [40]

      (40) Barrientos, L. G.; Louis, J. M.; Botos, I.; Mori, T.; Han, Z.;O'Keefe, B. R.; Boyd, M. R.; Wlodawer, A.; Gronenborn, A. M.Structure 2002, 10, 673. doi: 10.1016/S0969-2126(02)00758-X(40) Barrientos, L. G.; Louis, J. M.; Botos, I.; Mori, T.; Han, Z.;O'Keefe, B. R.; Boyd, M. R.; Wlodawer, A.; Gronenborn, A. M.Structure 2002, 10, 673. doi: 10.1016/S0969-2126(02)00758-X

    41. [41]

      (41) Rousseau, F.; Schymkowitz, J.W.;Wilkinson, H. R.; Itzhaki, L.S. J. Biol. Chem. 2004, 279, 8368.(41) Rousseau, F.; Schymkowitz, J.W.;Wilkinson, H. R.; Itzhaki, L.S. J. Biol. Chem. 2004, 279, 8368.

    42. [42]

      (42) Esposito, L.; Daggett, V. Biochemistry 2005, 44, 3358. doi: 10.1021/bi0488350(42) Esposito, L.; Daggett, V. Biochemistry 2005, 44, 3358. doi: 10.1021/bi0488350

    43. [43]

      (43) Byeon, I. J. L.; Louis, J. M.; Gronenborn, A. M. J. Mol. Biol.2004, 340, 615. doi: 10.1016/j.jmb.2004.04.069(43) Byeon, I. J. L.; Louis, J. M.; Gronenborn, A. M. J. Mol. Biol.2004, 340, 615. doi: 10.1016/j.jmb.2004.04.069

    44. [44]

      (44) Topping, T. B.; Hoch, D. A.; Gloss, L. M. J. Mol. Biol. 2004,335, 1065. doi: 10.1016/j.jmb.2003.11.013(44) Topping, T. B.; Hoch, D. A.; Gloss, L. M. J. Mol. Biol. 2004,335, 1065. doi: 10.1016/j.jmb.2003.11.013

    45. [45]

      (45) Malevanets, A.; Sirota, F. L.;Wodak, S. J. J. Mol. Biol. 2008,382, 223. doi: 10.1016/j.jmb.2008.06.025(45) Malevanets, A.; Sirota, F. L.;Wodak, S. J. J. Mol. Biol. 2008,382, 223. doi: 10.1016/j.jmb.2008.06.025

    46. [46]

      (46) Miloushev, V. Z.; Bahna, F.; Ciatto, C.; Ahlsen, G.; Honig, B.;Shapiro, L.; Palmer, A. G. Structure 2008, 16, 1195. doi: 10.1016/j.str.2008.05.009(46) Miloushev, V. Z.; Bahna, F.; Ciatto, C.; Ahlsen, G.; Honig, B.;Shapiro, L.; Palmer, A. G. Structure 2008, 16, 1195. doi: 10.1016/j.str.2008.05.009

    47. [47]

      (47) Sivasankar, S.; Zhang, Y.; Nelson,W. J.; Chu, S. Structure 2009,17, 1075. doi: 10.1016/j.str.2009.06.012

      (47) Sivasankar, S.; Zhang, Y.; Nelson,W. J.; Chu, S. Structure 2009,17, 1075. doi: 10.1016/j.str.2009.06.012

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  560
  • 文章访问数:  2334
  • HTML全文浏览量:  46
文章相关
  • 发布日期:  2012-09-26
  • 收稿日期:  2012-08-13
  • 网络出版日期:  2012-09-07
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章