计算机模拟与X射线小角散射实验数据相结合研究FBP21串联WW结构域的溶液构象资源-CSDN文库

首发论文

需积分: 6 132 浏览量 2020-02-12 05:24:32 上传评论收藏 738KB PDF 举报

资源详情

资源评论

资源推荐

http://www.paper.edu.cn

- 1 -

中国科技论文在线

计算机模拟与 X 射线小角散射实验数据相

结合研究 FBP21 串联 WW 结构域的溶液构

象

彭俊辉，张志勇

基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20113402120013）；国家自然科学基金（31270760）

作者简介：彭俊辉（1989-），男，博士，计算生物学

通信联系人：张志勇（1976-），男，教授，计算生物学. E-mail: zzyzhang@ustc.edu.cn

（中国科学技术大学生命科学学院，合肥 230026）

摘要：包含柔性无序区域的生物大分子的结构解析在结构生物学中一直是一个极具挑战性的

问题。通常多结构域蛋白结构域间的柔性对其行使生物学功能至关重要。对溶液中的柔性

的多结构域蛋白，由于其处于包含多种不同结构域取向的构象平衡之中，因此常用结构系

综来描述。而常用的高分辨率的实验技术，如 X 射线晶体衍射或核磁共振技术，对多结构10

域蛋白的系综进行解析通常要比单个结构域困难得多。X 射线小角散射（SAXS）是一种高效

的技术，它能得到柔性蛋白或大分子复合物的

大小和形状等信息。在本工作中，我们我们

尝试整合高分辨率的核磁共振解析的原子结构和低分辨率的 SAXS 数据、微秒级原子水平的

分子动力学模拟来研究剪切体蛋白 FBP21 中由柔性 linker 连接的两个串联 WW 结构域在溶液

中的构象系综。根据这些结构系综，我们发现蛋白的两个结构域既能以紧凑的构象存在，也15

可以有伸展的构象。

关键词：生物化学与分子生物学；多结构域蛋白；蛋白质柔性；构象系综；分子动力学模拟；

X 射线小角散射

中图分类号：请查阅《中国图书馆分类法》

Solution structures of tandem WW domains in FBP21

investigated by small-angle X-ray scattering data and

computer simulations

Peng Junhui, Zhang Zhiyong

(School of Life Sciences, University of Science and Technology of China, Hefei 230026) 25

Abstract: Structure elucidation of large biomolecules comprised flexible unstructured regions has

always been a challenging problem in structural biology. Flexibility between domains within a

multi-domain protein is often critical for its biological function. A flexible multi-domain protein in

solution should be represented by an ensemble of structures since it is often in equilibrium among

multiple conformations with different domain orientations. Employed any high-resolution 30

experimental technique, such as X-ray crystallography and nuclear magnetic resonance,

determining structural ensemble of a multi-domain protein is generally more difficult than solving

the structures of individual domains. Small-angle X-ray scattering (SAXS) is an efficient

technique which can describe the size and shape of the flexible small proteins or large complexes.

In this work, we try to determine the structural ensemble of the tandem WW domains of the 35

formin binding protein 21 by integrating high-resolution structural information from NMR and

low-resolution structural information from SAXS, and molecular dynamics simulations at

micro-second time scale. According to the structural ensembles, this two-domain protein is able to

take either compact or extended conformations.

Key words:

Biochemistry and Molecular Biology; multi-domain proteins; protein flexibility; 40

conformational ensemble; molecular dynamics simulations; small-angle X-ray scattering

http://www.paper.edu.cn

- 2 -

中国科技论文在线

0 引言

多结构域蛋白包含由 linker 连接的两个或以上的结构域组成[1]。由于 linker 区柔性很大，

各结构域可相对自由的移动，从而改变蛋白构象以行使相应功能。因此，对这种柔性大的多45

结构域蛋白而言，以包含多种构象状态的系综表示其溶液中的实际状态是比较恰当的[2]。

虽然 X 射线晶体学是当前蛋白质结构解析的主流手段，但由于柔性的多结构域蛋白并不以

稳定构象存在,要获取其高质量的晶体非常困难，因此以 X 射线晶体衍射的手段解析此类蛋

白也面临着挑战。冷冻电镜(Cryo-EM)最近发展很快[3]，但冷冻电镜常应用于分子量较大的

体系，要获得高分辨率的结构信息一般比较困难。核磁共振目前可解析结构的分子量已越来50

越大，以之解析适中分子量的柔性多结构域蛋白是比较合适的。但通常核磁共振得到的是比

较短程的距离约束(1.8 Å 到 6.0 Å)，而用于确定结构域之间取向的距离约束通常已超出该范

围，需要进行更多的实验以获取额外的约束信息。

小角散射数据包含了溶液蛋白的大小和形状等信息。随着硬件和软件（光源、算法）的

发展，以小角散射手段获得蛋白的结构信息已变得越来越便捷。应用小角散射技术研究生物55

分子基本不受样品大小限制，可用于小的单体蛋白或大的复合物[4]。而且由于散射的数据

中包含蛋白在溶液中的多种状态以及其分布信息，小角散射对溶液中多结构域蛋白的研究特

别适合。因此，小角散射可在结构解析中作为高分辨率技术的补充。如单个结构域可由核磁

共振解析得到，而小角散射提供结构域间的约束信息。

计算机模拟在整合高分辨率和低分辨率数据以得到柔性蛋白的系综中扮演着重要的作60

用[1,5-8]。全原子的分子动力学模拟在研究溶液中蛋白质动力学特性中有着广泛的应用

[9,10]。随着硬件计算能力的增强和算法的发展，如今对蛋白质的模拟已经可达到微秒甚至

毫秒的级别[11]。

综上，以整合 SAXS 与分子动力学模拟的手段研溶液中的究柔性多结构域蛋白是一个相

对便捷，可行的方法。 65

1 剪切体蛋白 FBP21 串联 WW 结构域背景

FBP21（Formin Binding Protein 21）又称为 WW domain-binding protein 4，是人体内由

WBP4 基因编码的一个蛋白。人源的剪切体蛋白 FBP21 含有 2 个连续的 WW 结构域，其

中 WW 结构域呈小而紧凑的球状结构，并与富含脯氨酸的配体相互作用。之所以被称为

WW 结构域，是因为在其结构域两端两个相隔 20-22 个氨基酸残基位置上有 2 个高度保守的70

色胺酸，而色胺酸缩写为"W"，因此便以 WW 结构域作为该蛋白结构域的统称[12-14]。

2 实验流程与数据分析

2.1 FBP21-WWs 蛋白的克隆，表达与纯化

编码人源 FBP21 的串联 WW 结构域 WW1-WW2（序列为 122-196 位氨基酸残基）的基

因片段首先通过聚合酶链式反应（PCR）扩增得到，其中聚合酶链式反应的模板为人脑 cDNA75

文库。通过引物设计将限制性内切酶 NdeI，XhoI 酶切位点 CATATG 和 CTCGAG 引入两条

引物的 5’端，从而将目的基因连接到载体 pET-22b(+)中，得到重组的质粒，并对其进行测

序以验证重组的准确性。重组质粒随后被转化到大肠杆菌 BL21 DE3 (Novagen)中进行表达，

重组菌在 100 μg/ml 氨苄青霉素的 LB 培养液培养中 37℃培养至其 OD600 值在 0.6 至 0.8

之间，随后加入 0.1 mM 的 IPTG 诱导表达 4 小时。带 His-tag（LEHHHHHH）融合标签的80

http://www.paper.edu.cn

- 3 -

中国科技论文在线

蛋白先经镍柱(Pharmacia)亲和纯化，随后用液相色谱柱 Hiload16/60 Superdex G75 column

（Amersham Pharmacia Biotech）对其作进一步的分离纯化，以去除杂蛋白。用于小角散射

的蛋白样品由 20 mM Tris,300 mM NaCl,1 mM EDTA,pH 8.0 条件透析得到。

2.2 FBP21-WWs 蛋白的 SAXS 数据的采集

FBP21-WWs 的 SAXS 数据在美国阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的85

Advanced Photon Sources (APS）beamline 12ID-B 收集得到，所用的 X 光波长为 1.033 Å。散

射实验一共采集了三组不同浓度条件下(1.0, 3.0 以及 5.0 mg/ml)的散射数据，之后由软件

ATSAS 处理[16]。在减去溶剂散射后，不同浓度的散射数据的等比例缩放和合并通过

PRIMUS 完成[17]。蛋白的 Rg (radius of gyration)值由 Guinier 的 AutoRg 程序得到。GNOM[18]

用于计算对应的 PDDF (pair distance distribution function)曲线。 90

2.3 FBP21-WWs 蛋白的分子动力学模拟

为了研究 FBP21-WWs 的结构域运动，我们对该蛋白进行了多组的分子动力学模拟（表

2.1）。以核磁系综(PDB 代码：2JXW)的第一个结构为初始结构，我们对其模拟了 2 μs，

得到第一组模拟的轨迹(该组模拟简称为 single-2µs)。对系综中的每一个结构，我们分别对

其进行了 100 ns 的模拟,然后将得到的 20 段模拟轨迹合并起来得到第二组模拟的轨迹(该组95

模拟简称为 comb1-2µs)。第三组轨迹与第二组的起始结构相同，但其起始速度与第二组中

对应的模拟不同，得到第三组的轨迹（该组模拟简称为 comb2-2µs）。

表1 FBP21-WWs 的三组模拟组成

single-2 µs comb1-2 µs comb2-2 µs

Model 1

2 µs

100 ns

Model 2 100 ns 100 ns

Model 3 100 ns 100 ns

Model 4 100 ns 100 ns

Model 5 100 ns 100 ns

Model 6 100 ns 100 ns

Model 7 100 ns 100 ns

Model 8 100 ns 100 ns

Model 9 100 ns 100 ns

Model 10 100 ns 100 ns

Model 11 100 ns 100 ns

Model 12 100 ns 100 ns

Model 13 100 ns 100 ns

Model 14 100 ns 100 ns

Model 15 100 ns 100 ns

Model 16 100 ns 100 ns

Model 17 100 ns 100 ns

Model 18 100 ns 100 ns

Model 19 100 ns 100 ns

Model 20 100 ns 100 ns

Total 2 µs 2 µs 2 µs

取自核磁共振解析的 FBP21-WWs 系综的用作该组分子动力学模拟的起始结构；

每组模拟的总时长； 100

c&d

从相同初始结构出发的两组 100 ns 的分子动力学模拟分别有着不同的初始速度。

模拟所使用的软件为 4.5.5 版 GROMACS[19]，力场选用的是 CHARMM27 力场[20]。

我们先将蛋白置于一个具有周期性边界条件的十二面体盒子中，并设定盒子边缘和蛋白间最

小距离为 1.2 nm。然后往盒子中加入 TIP3P 型的水分子[21]，将盒子填满。此时体系先用最

速下降法做能量优化，直到任何原子上所受的最大力小于 1000 kJ *mol-1*nm-1。为了中和105

蛋白自身所带的 7 个负电荷，我们加入 7 个 Na+离子替换掉盒子里的水分子。系统随后再次

剩余13页未读，继续阅读

评论收藏

内容反馈

weixin_38722464

粉丝: 4
资源: 940

计算机模拟与X射线小角散射实验数据相结合研究FBP21串联WW结构域的溶液构象

评论0

最新资源

计算机模拟与X射线小角散射实验数据相结合研究FBP21串联WW结构域的溶液构象

评论0

fbp_fbp算法c语言_FBP_fbp算法_

等距扇束FBP算法的参考程序.rar_CT图像重建_CT重建_ct_扇束fbp_数据重建

SCUT-FBP5500 面部数据集.7z

FBP的MATLAB实现_FBP算法的MATLAB实现_图像质量_

论文研究-各向异性加权先验模型MAP投影域降噪.pdf

FBP重建算法.zip_FBP_FBP重建算法_backprojection_投影 重建_投影重建

fbp, FBP流定义语言分析器.zip

fbp4_雷达FBP成像算法的改进_雷达_

FBP用MATLAB实现

ABB PLC FBP接口模块.pdf

有限辐射能的工业X射线CT系统减少金属伪像的研究

FBP滤波反投影算法

FBP算法实现

SCUT-FBP数据库

探测角度对笔束X射线荧光CT成像质量的影响

FBP封装工艺.pdf

FBP.zip_FBP_fbp 滤波_fbp 滤波器_fbp滤波_fbp滤波函数

滤波反投影fbp算法matlab

车窗升降控制器的防夹测控算法

基于树莓派&ZigBee网关的远程智能家居控制

基于三维栅格地图的移动机器人路径规划

基于微博数据的用户特征分析及行为预测

基于LSTM的空气质量指数预测

基于神经网络的时间序列预测方法

大数据平台智能运维系统

最新资源

FBP重建算法.zip_FBP_FBP重建算法_backprojection_投影重建_投影重建