蛋白质骨架中无规则回路(loops)结构的理论研究及在酶分子改造中的应用

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    31370716
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    70.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    C0504.物理生物学
  • 结题年份:
    2017
  • 批准年份:
    2013
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2014-01-01 至2017-12-31

项目摘要

The irregular loops, α-helixes, β-strands are the three secondary structural units of protein structures. In proteins aroud 47% residues are located in the loops, and the loops are the most active motifs in proteins, responsible for the stabilty, flexibility, and dynamic activity. The 3D structures of biological macromolecules (proteins, RNA, and DNA) are determined by the molecular interactions forces between the structural units. Subsequently, the biological functions of biological molecules are determined by the molecular structures. In addition to the three known interaction forces (hydrogen-bond interaction, electrostatic interaction, and van de Waals interaction), there are several unconventional molecular interaction forces, such as cation-π interactions, polar hydrogen-π (Hp-π) interactions, π-π stocking interactions, and coordinate interactions, which are less familiar to many researchers. In the 20 natural amino acids 11 of them are involved in the polar hydrogen-π interactions. In DAN and RNA the four nucleic acid components (adenine, guanine, cytosine, and thymine) possess aromatic rings and polar hydrogen atoms, which are the Hp-π interaction acceptors and donors. The peptide bond units of protein backbones are also the Hp-π interaction player. The Hp-π interactions play important role in the structures of DNA and RNA, too. Our previous studies revealed that the interaction energies of Hp-π bonds are close to the common hydrogen bond interactions, and possess many unique properties. In protein structures the interaction orientation of common hydrogen bonds is in the parallel direction of the peptide bond π-planes. In contrast, the Hp-π interactions are in the vertical direction between the peptide bond π-planes. The Hp-π interactions are the main supporting force in the protein irregular loops. Four basic structure types of loops in protein structures are identified according to the Hp-π interaction types. In the proposed research project the roles of Hp-π interactions in protein folding will be studies, the computation methods for calculations of the folding energies in protein loops will be developed, and the relationship between structures and biological functions of loops will be illustrated according to the Hp-π interactions. The Hp-π interaction theory and calculation methods, developed in this study, will be used in the enzyme engineering experiments focusing on the structures of loops to improve the bioactivity and properties of enzyme.
无规则回路(loops)与α-螺旋、β-折叠并列,是蛋白质3D结构的二级结构单元。在蛋白质中47%的氨基酸残基在loop结构中,loops是蛋白质结构中最复杂和最活跃的部分,对蛋白质的稳定性、柔韧性和动态活性起重要作用。许多酶分子的催化活性中心氨基酸和药物靶标蛋白的配体结合位点都在loops上,loops往往是酶分子生物技术改造的主要对象。然而至今仍然不清楚是什么分子间作用力支撑着loop的结构。预研发现,一种研究尚不充分的分子间作用力极性氢-π键在蛋白质折叠中起特殊作用,是loops的主要支撑力。按极性氢-π键的类型二肽折叠分为四种基本构型。计划进一步研究极性氢-π键在蛋白质结构和折叠中的作用,根据极性氢-π键的概念探讨loop的结构类型和蛋白质基本构件(protein blocks),发展loop折叠能的快速计算方法,解释蛋白质中loop的结构与功能的关系,预测和指导酶分子改造实验。

结项摘要

用高档量子化学方法深入研究了蛋白质结构的肽链骨架中的作用力, 20种氨基酸侧链之间的相互作用力,以及氨基酸侧链与肽链骨架间的作用力。特别研究了以前较少研究的阳离子-π键作用、极性氢-π键作用、盐桥作用、酰胺桥作用和疏水作用,用量子化学方法系统计算了这些作用力,建立了数据库,并拟合出简单的势能经验函数。在预研的基础上,集中深入研究了肽链骨架中的极性氢-π键作用,即肽链中的π-平面与肽链中的极性氢在垂直方向形成的极性氢-π键,用高档量子化学方法CCSD(T)计算了肽链骨架中的极性氢-π键的能量与两个二面角(Ψ,Φ)的势能函数,绘制了精确的势能面图。在(Ψ,Φ)势能面上除α-螺旋和β-带外,发现了四个无规则loop结构的基本类型,作为研究肽链折叠的依据。分析了极性氢-π键在蛋白质骨架折叠中的作用,及氨基酸侧链对势能面的影响。深入研究了α-淀粉酶和普鲁兰酶中的无规则loop结构中的极性氢-π键作用,分析了loop结构的热稳定性问题,用于预测蛋白质分子的热稳定性和指导酶分子改造实验。以本研究项目获得的蛋白质内的各种作用力的能量数据为参数,建立了研究蛋白质结构与性质关系的氨基酸序列及理化性质的双层构效关系(2L-QSAR),和蛋白质序列位点及氨基酸理化性质的双层主成分分析法(2L-PCA)。在双层主成分分析法(2L-PCA)中构造了氨基酸理化性质的主成分向量的正交空间和蛋白质残基的序列位点的主成分向量的正交空间.在这两个相互嵌套的正交空间中,蛋白质家族的每一个成员是正交空间里的一个向量,蛋白质在两个正交空间的主成分分量上的投影为分析两类参数对酶的活性的影响提供了数量依据。提出了改进酶分子催化反应的pH值适应性的“活性氢键网络法”和改进酶分子热稳定性的“蛋白质模拟热探测法”,用于α-淀粉酶和普鲁蓝酶的氨基酸定点变异改造,在酶的热稳定性和pH适应性方面得到了正面的改善结果。

项目成果

期刊论文数量(13)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(1)
专利数量(4)
苯甲酸降解途径及转化生产粘康酸的研究进展
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    广西科学院学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    谢能中;黄艳燕;李检秀;郭铃;李亿;王青艳;陈东;杜奇石;黄日波
  • 通讯作者:
    黄日波
Insight into a molecular interaction force supporting peptide backbones and its implication to protein loops and folding.
洞察一种新的分子相互作用力及其对蛋白质环和折叠的影响。
  • DOI:
    10.1080/07391102.2014.984333
  • 发表时间:
    2015-09
  • 期刊:
    Journal of biomolecular structure & dynamics
  • 影响因子:
    4.4
  • 作者:
    Du QS;Chen D;Xie NZ;Huang RB;Chou KC
  • 通讯作者:
    Chou KC
Active Hydrogen Bond Network (AHBN) and Applications for Improvement of Thermal Stability and pH-Sensitivity of Pullulanase from Bacillus naganoensis.
活性氢键网络 (AHBN) 及其在改善长野芽孢杆菌普鲁兰酶热稳定性和 pH 敏感性方面的应用
  • DOI:
    10.1371/journal.pone.0169080
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    PloS one
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Wang QY;Xie NZ;Du QS;Qin Y;Li JX;Meng JZ;Huang RB
  • 通讯作者:
    Huang RB
Recent Development of Peptide Drugs and Advance on Theory and Methodology of Peptide Inhibitor Design
多肽药物的最新进展及多肽抑制剂设计理论和方法的进展。
  • DOI:
    10.2174/1573406411666141229163355
  • 发表时间:
    2015-01-01
  • 期刊:
    MEDICINAL CHEMISTRY
  • 影响因子:
    2.3
  • 作者:
    Du, Qi-Shi;Xie, Neng-Zhong;Huang, Ri-Bo
  • 通讯作者:
    Huang, Ri-Bo
Microbial Routes to (2R, 3R)-2,3-Butanediol: Recent Advances and Future Prospects
(2R,3R)-2,3-丁二醇的微生物途径:最新进展和未来展望
  • DOI:
    10.2174/1568026617666170504101646
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    CURRENT TOPICS IN MEDICINAL CHEMISTRY
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
    Xie Neng-Zhong;Chen Xian-Rui;Wang Qing-Yan;Chen Dong;Du Qi-Shi;Zhou Guo-Ping;Huang Ri-Bo
  • 通讯作者:
    Huang Ri-Bo

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其他文献

桥函数在统计力学积分方程理论3d
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  • 作者:
    杜奇石;魏冬青
  • 通讯作者:
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2009-H1N1 流感病毒的药物靶标蛋白质的计算3维结构
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
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  • 通讯作者:
    周国城
基于氨基酸位点变异的蛋白质家族进化的相关分析和在PDZ结构域的应用
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  • 通讯作者:
    黄日波
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  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
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    --
  • 作者:
    杜奇石;廖思明;蒙建宗;黄日波
  • 通讯作者:
    黄日波
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  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    广西科学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    杨登峰;关妮;米慧芝;杜奇石;张穗生;黄日波
  • 通讯作者:
    黄日波

其他文献

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杜奇石的其他基金

生物质能源技术中酶的理化耐受性与蛋白质结构关系的研究
  • 批准号:
    30970562
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    2009
  • 资助金额:
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  • 项目类别:
    面上项目

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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