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亲环素(Cyclophilin,CyP)是亲免蛋白家族成员之一,能以高亲和力和免疫抑制剂环孢素A(Cyclosporin A,CsA)相结合;同时,还具有肽基脯氨酸顺反异构酶活性。CyP分布广泛,具有多种生物学活性,在细胞的生命活动过程中发挥重要的作用。本论文所研究的人亲环素J(human cyclophilin J,hCyPJ)是该家族中新发现的一个成员,其基因序列是在大规模筛选人胎儿的脑部cDNA文库时发现的。
hCyPJ用气相悬滴法获得晶种后,用接种法获得单晶。用分子置换法进行结构解析,其空间群为P3121;用CNS程序进行结构精修,结构在2.0 A分辨率下的R因子为20.2%,Rfree为25.4%。hCyPJ的结构中主要有三个α螺旋,一个310螺旋和八个反平行的β—链。这些β—链组成的β—圆桶结构是hCyPJ的主体结构,螺旋分别位于β—圆桶的上方、下方和侧面。hCyPJ和目前研究比较深入的hCyPA的结构相比,二级和三级结构都比较相似,三级结构的差异性主要表现在N端,C端和loop区域(Asp8-Val9,Cys32-Asn35,Asp73-Leu79和Pro135-Asn145)。loop区域是影响CyP家族不同成员特异性的重要结构特征。hCyPJ含有一个二硫键,而hCyPA不含二硫键。与hCyPA活性位点的保守残基相比,hCyPJ相应的残基His43和Gln52的构象保守,Arg44的构象差别较大。通过不同结晶条件下得到的两个hCyPJ结构的比较,以及hCyPJ和CyPA及其各种复合物结构的比较,笔者观察到Arg44的构象非常灵活,灵活的构象有利于CyP与各种底物或配体的结合。在此基础上,讨论了hCyPJ肽基脯氨酸顺反异构酶的催化机理,hCyPJ的结构支持了扭曲的催化机理。
hCyPJ-CsA复合物的晶体用共晶生长法获得。用分子置换法进行结构解析,其空间群为P3121,精修后,结构在2.4 A分辨率下的R因子为19.3%,Rfree为23.7%。复合物晶体结构的一个不对称单位内含有两个复合物分子,它们的结构基本一致,差别主要表现在hCyPJ的C端片断(156-159/160)和CsA的MeLeu4、MeLeu6上,CsA这两个残基的侧链伸向溶剂,构象比较灵活。与hCyPA-CsA活性位点的重要残基相比较,hCyPJ中有三个残基(Asn92,His110和Tyr115)发生不保守性替换,这些残基替换使得hCyPJ和CsA之间形成了两个额外的正常氢键和两个额外的C-H…O氢键,这些氢键在CyPA-CsA的复合物中是不存在的。
钙调磷酸酶(calcineurin,CN)是CyP-CsA复合物的胞内受体。比较hCyPJ-CsA复合物的晶体结构和CyPA-CsA-CN复合物的结构,我们推测,hCyPJ中loop区域(Pro135-Asn145)的参与可能是至关重要的。
蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)是一类由多种同工酶组成的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶家族,和细胞的生长和分化、信号转导以及肿瘤生长、转移等生理/病理过程都有着密切的关系。本论文主要研究PKC6的Cys2结构域,细胞内第二信使二酰基甘油及其功能类似物与该结构域相结合,从而使酶激活。
鼠PKCSCys2的结构基因用单链DNA法合成,然后以此为模板,利用PCR技术进行定点突变,从而获得人PKCδCys2的基因。鼠和人的PKCδCys2的结构基因经DNA顺序分析验证后,分别重组到表达载体pTrc99b和pET28a中,并在大肠杆菌表达体系中得到可溶性表达,但表达量较低。表达产物分别用离子交换柱和亲和柱纯化,纯化后的两个蛋白用气相扩散法和接种法初步筛选了结晶条件。进一步优化后,用共晶法生长得到了人的PKCδCys2和小分子调节剂(BLV-2)的复合物的晶体。由于所得复合物的晶体非常小,不能用于X射线衍射实验。
用分子对接的方法对四个Benzolactam-V(缩写为BLV)类小分子调节剂和PKCδCys2的相互作用进行计算机模拟,并讨论了小分子调节剂的构效关系。笔者推测,BLV类小分子的八元环5位羟甲基和蛋白结合凹槽的表面匹配性较好,所形成的氢键作用对于小分子和蛋白的结合至关重要。BLV-1和BLV-2与佛波酯相比,它们7位羟基和蛋白之间形成了额外的氢键,所以和蛋白的亲和力可能更强。根据文献报道,只有含有憎水性长侧链取代基的佛波酯,才能插入膜内,成为蛋白的有效调节剂。BLV-2中没有长侧链取代基,所以就对蛋白的激活能力而言,BLV-1可能是最强的。BLN-3和BLV-4的7位取代基是脂肪族长侧链,不能和蛋白形成氢键,和BLV-1相比,对蛋白的亲和力要弱一些。BLN-4的7位取代是饱和烷基,单链旋转的自由度较大,因此对于和蛋白的结合影响不大,而BLN-3的7位取代基中含有刚性较大的炔基,对于和蛋白的结合造成空间位阻。因此,BLV-3的激活能力相对于BLV-1和BLN-4可能是最弱的。