基于分子模拟的脂肪酶LipK107结构与功能关系研究及理性设计

论文摘要

信息技术与生物技术的结合日益紧密。随着计算机技术的发展和成熟,计算机模拟（又称分子模拟）在蛋白质结构与功能关系的研究中扮演越来越重要的角色。本论文以实验室自主筛选的一株微生物来源的脂肪酶——LipK107为主要研究对象,采用多种不同的分子模拟方法（包括：同源建模、分子对接、分子动力学、MM/PBSA结合自由能计算）详尽分析了该脂肪酶结构与功能之间的关系。并基于上述构效关系的研究,对LipK107进行了理性设计,获得了2株催化特性得到改良的脂肪酶突变体。同源建模是目前较为准确的蛋白质三维结构预测方法。作为LipK107结构与功能研究的基础,本文采用同源建模法同时构建了LipK107活性和非活性构象的三维结构。通过比较两个模型,本文成功预测出LipK107的关键结构特性,包括：酶的“催化三联体”（S79-D232-H254）、“氧负离子洞”（L13,Q80）、和“盖子”结构（1118-D152）。通过观察LipK107在催化甘油三酯水解时表现出“界面活化”效应,我们更确证了LipK107盖子结构的存在性。将LipK107的两个同源模型叠合之后,我们发现了该脂肪酶从活性构象转变为非活性构象的过程。此外,采用分子动力学模拟技术,我们也模拟了脂肪酶在水溶液中的构象变化过程,直观并且实时地观察到LipK107通过关闭盖子从活性构象变为非活性构象的过程。分子对接被广泛用于探索配体与受体之间的结合模式及相互作用机理。基于南极假丝酵母脂肪酶（Candida antartica lipase B,简称CALB）的空间结构与催化机理,本文采用全柔性分子对接程序Affinity开发了一套适用于脂肪酶的底物虚拟筛选系统（Computer-aided substrate screening,简称CASS）。使用CASS对CALB进行底物筛选,我们发现该筛选系统的准确率高达95.7%。此外,我们也使用CASS对LipK107的底物进行了筛选。预测结果表明,10个待筛选化合物中有4个是LipK107的底物,其余6个为非底物。后续的生物催化实验结果证明上述预测结果中只有1个化合物的预测结果是错误的,这表明CASS的准确性高达90%。从作者对文献的调研情况来看,CASS是目前唯一一个酶的底物虚拟筛选系统。酶催化反应过程涉及化学键的断裂和形成,而分子对接却无法实现这个过程。所以本文采用分子动力学模拟反应过渡态的方法探索了CALB的对映体选择性,发现了一种新的慢反应对映体（slow-reacting enantiomer）与酶的有效结合模式——“M/H交换”（M/Hpermutation）。使用相同的模拟思路和方法,我们预测了LipK107转酯拆分1-苯基乙醇时的对映体选择性。预测结果表明R-型底物为快反应对映体。该预测结果的正确性随后被生物催化实验结果证实。基于LipK107盖子结构的疏水和电荷分布特性,本文使用一组分子模拟方法（按照使用顺序的先后,该方法依次包括虚拟突变、分子对接、分子动力学和MM/PBSA）研究了它们对酶活的影响,并虚拟构建了相关的突变蛋白（包括I128E/V129D, E130L/K131I, Y138V, R120P/K121P, H146S/R147T）。通过分析突变体与底物结合自由能的高低,我们预测出只有提高盖子结构疏水性的两个突变体（E130L/K131I, Y138V）才能提高酶活,其余突变体的活性都会下降。随后的定点突变实验结果表明：较之野生LipK107,所有的突变体中只有E130L/K131I、Y138V催化1-苯基乙醇转酯拆分反应的转化率和产物ee值有所提高。这样的实验结果与模拟预测的结果完全一致。这不仅证明了之前预测结果的准确性,也暗示着“虚拟突变+分子对接+分子动力学+MM/PBSA"这一分子模拟方法的组合可以作为酶理性设计的一种新方法。除上述基于盖子结构疏水和电荷分布的理性设计外,本文还采用虚拟突变技术设计了具有新催化三联体的突变蛋白（D232A/N103D）。然而,与模拟结果不一致的是,所设计的突变株在后续的真实实验中失活。使用分子动力学方法,本文解析了该突变株失活的原因：新催化三联体（S79-D103-H254）中D103与H254之间的氢键无法稳定存在。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本文所采用的分子模拟方法简介
• 1.1.1 蛋白质高级结构预测——同源建模法
• 1.1.2 底物与酶结合机制的研究工具——分子对接
• 1.1.3 底物与酶结合稳定性的研究工具——分子动力学模拟
• 1.1.4 底物与酶结合自由能的计算——MM/PBSA
• 1.2 脂肪酶结构与功能的研究概况
• 1.2.1 微生物来源脂肪酶的特点和用途
• 1.2.2 脂肪酶的结构特征和催化机理
• 1.2.3 脂肪酶催化手性仲醇的对映体选择性
• 1.3 脂肪酶理性设计
• 1.3.1 理性设计
• 1.3.2 脂肪酶理性设计——对映体选择性
• 1.4 分子模拟技术在脂肪酶结构与功能关系中的应用
• 1.4.1 利用同源建模预测脂肪酶的三维结构
• 1.4.2 利用分子对接/分子动力学研究底物与脂肪酶的结合机制
• 1.4.3 利用分子对接/分子动力学研究脂肪酶对映体选择性
• 1.4.4 利用分子动力学研究脂肪酶的构象变化过程
• 1.5 研究的目标、内容及意义
• 1.5.1 研究目标
• 1.5.2 研究内容
• 1.5.3 创新点
• 1.5.4 研究意义
• 第2章 LipK107三维结构的构建及分析
• 2.1 引言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 硬件配置
• 2.2.2 软件配置（概述）
• 2.2.3 实验流程简介
• 2.2.4 分子动力学模拟
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 模板识别结果
• 2.3.2 序列比对结果
• 2.3.3 模型评估结果
• 2.3.4 LipK107结构特点
• 2.3.5 LipK107构象变化的分子机理
• 2.3.6 盖子结构存在性的验证——LipK107的"界面活化"现象
• 2.3.7 LipK107构象变化——分子动力学研究
• 2.4 小结
• 第3章 脂肪酶与底物结合机理研究——脂肪酶底物虚拟筛选系统的构建及其在LipK107底物筛选中的应用
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 硬件配置
• 3.2.2 软件配置
• 3.2.3 底物虚拟筛选系统（CASS）的基本流程
• 3.2.4 使用CASS对LipK107进行底物的虚拟筛选
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 构象筛选标准的验证结果
• 3.3.2 虚拟筛选结果及CASS系统准确性评估
• 3.3.3 LipK107底物筛选结果
• 3.4 小结
• 第4章 脂肪酶与底物结合机理研究——"M/H转换"有效结合模式的发现
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 背景介绍
• 4.2.2 硬件配置
• 4.2.3 软件配置
• 4.2.4 实验流程概述
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 分子力学优化后所确定的PBM
• 4.3.2 分子动力学模拟所确定的PBM
• 4.4 小结
• 第5章 LipK107与底物结合机理研究——酶对映体选择性预测
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 本章研究思路简介
• 5.2.2 硬件配置
• 5.2.3 软件配置
• 5.2.4 基于分子动力学的LipK107转酯反应对映体选择性预测
• 5.2.5 LipK107转酯反应对映体选择性预测的实验验证
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 酶与底物的有效结合模式
• 5.3.2 LipK107转酯反应对映体选择性预测结果
• 5.3.3 LipK107转酯反应对映体选择性实验结果
• 5.4 小结
• 第6章 基于分子模拟的LipK107盖子结构的构效关系研究及理性设计
• 6.1 引言
• 6.2 材料与方法
• 6.2.1 硬件配置
• 6.2.2 软件配置
• 6.2.3 本文中酶分子设计流程及关键步骤介绍
• 6.2.4 定点突变实验和生物催化实验简介
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 基于LipK107盖子的疏水性分布选择突变位点
• 6.3.2 基于LipK107盖子的电荷分布选择突变位点
• 6.3.3 酶与底物的结合模式
• 6.3.4 酶与底物结合的分子动力学结果
• 6.3.5 酶与底物的结合自由能
• 6.3.6 预测结果的验证——LipK107突变蛋白的构建和生物催化实验结果
• 6.4 小结
• 第7章 基于LipK107活性中心的理性设计及构效关系研究
• 7.1 引言
• 7.2 材料与方法
• 7.2.1 硬件配置
• 7.2.2 软件配置
• 7.2.3 LipK107新催化三联体的设计思路
• 7.2.4 突变蛋白失活的分子动力学分析
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 突变位点选择
• 7.3.2 突变蛋白失活的分子动力学分析
• 7.4 小结
• 第8章 结论
• 参考文献
• 论文发表情况
• 致谢