基于T1R1-T1R3结构的鲜味识别的分子机制研究

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T1R1-T1R3(T1R1,taste receptor type 1 member 1;T1R3,taste receptor type1 member 3)作为鲜味受体,可以识别一些天然的鲜味物质,例如L-谷氨酸(及其钠盐)、鸟苷酸或肌苷酸的钠盐等。目前T1R1-T1R3的晶体结构未被解析,导致详细的鲜味识别的分子机制仍不清楚。本文采用同源建模、分子对接和动力学模拟的方法,首次基于鱼的味觉受体T1R2a-T1R3(PDB id:5X2M)构建五种鲜味配体-T1R1-T1R3的复合物结构,包括谷氨酸钠(L-glutamic acid salt,MSG)、琥珀酸二钠(sodium succinate,WSA)、鸟苷酸二钠(disodium 5’-guanylate,GMP)、肌苷酸二钠(disodium 5’-inosinate,IMP)和牛肉辛肽(beefy meaty peptide,BMP),探究不同鲜味配体结合对受体T1R1-T1R3结构动力学的影响,在原子水平上揭示鲜味的呈鲜机理。主要研究结果如下:(1)以人源T1R1,T1R3胞外捕蝇草结构域的氨基酸序列为目标,通过同源建模的方法构建人T1R1-T1R3异源二聚体结构模型,该同源模版为鱼的味觉受体T1R2a-T1R3(PDB id:5X2M),其中T1R1-T1R3与模板的序列一致性分别为33.03%,33.87%。另一方面,根据受体的氨基酸序列和结构,对不同物种(包括:人、小鼠和鱼)的受体(包括味觉受体和代谢型谷氨酸受体)进行进化分析,进而评估同源建模结果的合理性。进化分析结果表明:与代谢型谷氨酸受体(metabotropic glutamate receptor,mGluR)相比,人和鱼的味觉受体(taste-receptor,TR)的同源性更高。此外,基于受体结构中的阿尔法碳(Cα)原子将T1R1-T1R3,T1R2a-T1R3及mGluR1进行结构叠合分析,T1R1-T1R3与mGluR1的均方根误差(Root mean square deviations,RMSD)为3.2?,而T1R1-T1R3与T1R2a-T1R3(PDB id:5X2M)为2.4?。综合以上分析结果,基于T1R2a-T1R3为同源模板构建T1R1-T1R3结构是可靠的。(2)构建鲜味配体-T1R1-T1R3复合物结构,包括五种鲜味配体:MSG、WSA、GMP、IMP和BMP。将T1R2a-T1R3和mGluR1基于Cα原子进行结构叠合,结果表明,这些受体中配体的阿尔法羧基(Cα-COO-)和氨基(Cα-NH3+)在受体中的位置和方向高度一致,因此,本文以模板T1R2a-T1R3中配体(L-谷氨酰胺(L-Glutamine))的Cα原子坐标为对接中心,以30?大小的立方体盒子进行分子对接。最后将分子对接获得的配体-T1R1-T1R3复合物用于分子动力学模拟的初始结构。(3)探究不同配体结合对T1R1-T1R3结构动力学的影响。首先,对初始的同源结构T1R1-T1R3(Apo)和配体-T1R1-T1R3复合物分别进行100 ns的分子动力学模拟。RMSD结果表明:配体结合主要导致了T1R1上一个亚基(LB2)的运动。在T1R1上,鉴定了一些对鲜味识别的关键氨基酸残基,其中与MSG,IMP和GMP相关的氨基酸残基与早期的突变试验结果相一致;进一步的配体受体互作网络分析结果表明,T1R1上存在两个主要结合位点,分别为结合位点A,结合位点B,其中MSG和WSA主要在结合位点A与受体结合,BMP主要结合在结合位点B,而GMP和IMP可以同时占据两个结合位点。最后,对每个活性位点,将所有体系的分子动力学轨迹投影到两个反应坐标上:即RMSD和回旋半径(radius of gyration,Rg)。该结果表明:在结合位点A,将Apo体系作为基态,可以将五个鲜味配体分为两类,一类为MSG、GMP和IMP,该类可以促进结合位点A的闭合,另一类为WSA和BMP,可以促进结合位点A的打开。另一方面,对T1R1进行静电势计算(Adaptive Poisson-Boltzmann Solver,APBS),结果表明,相比结合位点A,结合位点B含有更多的正电环境。总的来说,与早期的理论研究同源模板(mGluR)不同,本文采用一个新的模板T1R2a-T1R3(PDB id:5X2M)构建了一个更为准确的T1R1-T1R3的结构,其序列一致性比mGluR要高。鉴定了一些对鲜味配体识别起主要作用的氨基酸残基,且发现T1R1上存在两个主要的结合位点。更为有趣的是,根据配体分子的大小和所带电荷的不同,配体可以结合其中一个结合位点,或者两个都占据,进而可以导致T1R1的闭合或打开。该工作从原子水平上揭示了不同配体对T1R1-T1R3结构的影响,有助于我们更好的理解鲜味识别的分子机制,根据受体上结合位点的差异,可以在接下来的工作中进一步的指导设计新的结构特异的鲜味物质。
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