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乙型肝炎病毒表面抗原三维结构的同源模建及功能预测

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V01.3l 高等学校化学学报 No.4 2010年4月 CHEMICAL JOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES 742~745 乙型肝炎病毒表面抗原三维结构的 同源模建及功能预测 周小平,张沐新,王广树,杨晓虹 (吉林大学药学院,长春130021) 摘要结合生物信息学方法及分子模拟手段,通过同源模建方法构建了乙型肝炎病毒表面抗原(HBsAg) Presl2的三维空间结构,并结合生物实验在分子水平上探讨了乙型肝炎病毒表面抗原Pres12作为抗乙型肝 炎病毒重要靶标的机理.研究结果表明,HBsAg三维空间结构是由构型性的Pres1和线性的Pres2组成,此 结构由疏水氨基酸形成3个 一螺旋结构及Loop结构域,并且N端由Pres!中残基构成了一个开裂,形成了 HBsAg可能的活性部位.静电势分析结果证实,N端可能的活性部位具有较大的静电势分布,因而具有与受 体细胞蛋白相互作用的能力,这为HBV病毒抑制剂药物分子的设计提供了有益帮助. 关键词 乙型肝炎;表面抗原;同源模建;分子对接;静电势 中图分类号0629.7 文献标识码A 文章编号0251 790(2010)04-0742-04 乙型肝炎病毒(Hepatitis B Virus,HBV)作为慢性病毒性肝炎和肝硬化的主要致病原因,与肝癌的 发生有着密切的关系 .2j.HBV是部分双链的DNA病毒,病毒基因组约3.2 kb大小,含有S,C,P和 x 4个开放阅读框(Open reading frame,ORF),分别编码为外膜蛋白、核壳蛋白、DNA多聚酶和x蛋 白.S区的开放阅读框又分为s基因、前s2区(PreS2)和前s1区(PreS1),并各有其起始密码子ATG. HBV病毒吸附肝细胞膜主要与病毒外膜的3个蛋白[大蛋白(LHBs)、中蛋白(MHBs)和主蛋白 (SHBs)]相关,这3个蛋白分别含有各自起始密码子的氨基端,同时具有共同的羧基末端和终止密码 子.主蛋白由S基因编码,含有226个氨基酸;中蛋白由S及PreS2基因区编码,含有281个氨基酸; 大蛋白由PreS1,PreS2和s片段组成 I4』.由于PreS1在不同亚型病毒中基因片段大小不同,因此大蛋 白的大小为389或400个氨基酸不等.HBV前s1区在前s2区上游,全序列都位于病毒颗粒外表. HBV的s蛋白含有两段信号肽序列,信号肽Ⅱ插入内质网膜,其后的亲水序列暴露在病毒颗粒表面, 是HBsAg的主要抗原表位;信号肽I近氨基端插入内质网膜,其后的亲水序列保留在胞浆内,在病毒 出芽后仍在毒粒内部 .PreS1和主蛋白是构型性的,而PreS2则是线性的.从病毒颗粒的构型可以看 出,HBV大蛋白和中蛋白在肝细胞表面受体和HBV作用时,是与细胞接触的前哨,较之主蛋白,前S 区更有可能作为病毒吸附肝细胞膜的吸附蛋白,介导病毒附着和侵入细胞.前s区同时具有多种生物 学功能和较强的免疫活性,研究提示前s区与病毒的感染、复制和病毒颗粒的装配密切相关,尤其在 参与病毒与宿主细胞的相互作用中发挥至关重要的作用.因此对PreS1和PreS2抗原及相关受体的研 究正成为HBV与靶细胞作用研究的热点领域 J. 1材料和方法 乙型肝炎病毒表面抗原(HBsAg)Pres12的氨基酸序列由174个氨基酸组成 ,其氨基酸序列从 GenBank获得:>HBV HBsAg presl2 174aamgaplsttrrgmgqnlsvpnplgffpdhqldplfranssspdwdfntnkdswpmankv— gvggygpgftpphggllgwspqaqgvhtlpadpppastnrrsgrkptpvspplrdthpqamqwnstqthqalldprvralyfpaggsssgtqnpaptiashssif- sktggpamn.用多序列比对程序BLASTP进行序列分析比对.选择较高准确度的Swiss Model Server程序 收稿日期:2009-04-25. 基金项目:国家科技部支撑计划(批准号:2006BA106A18—19)资助. 联系人简介:杨晓虹,女,教授,主要从事药物化学及天然药物化学成分与活性方面的研究.E-mail:xiaohongyang88@126.corn N0.4 周小平等:乙型肝炎病毒表面抗原三维结构的同源模建及功能预测 743 预测其二级结构 ,在此基础上,同时运用同源模建方法,即在蛋白质结构数据库(Brookhaven Protein Data Bank,PDB)中搜索同源蛋白 ” ;用同源蛋白结构叠加以确定SCR区和Loop区;模建蛋白 与同源蛋白序列联配,以确定模建蛋白的SCR区和Loop区;给模建蛋白SCR区赋予空间坐标;模建 Loop区;安装侧链.使用Insight I1程序包构建其三维空间结构,运用分子动力学计算手段进行结构优 化,结合静电势分析等对所得平衡构型进行活性位点搜索及潜在功能分析. 2结果与讨论 2.1序列分析比对 序列相似性搜索工具BLASTP建立在严格的统计学基础上,广泛应用于蛋白质序列的相似性搜索 比对 .以其对HBV表面抗原Presl2氨基酸序列进行数据库搜索,结果表明,已知蛋白质结构数据 库中只有1CJH(PDB ID)与Presl2蛋白是具有一定序列同源性的蛋白质.膜蛋白非常难于分离提纯和 结晶,与几万种水溶性蛋白结构相比,膜蛋白可用的晶体结构实验数据太少,需要利用生物信息学方 法结合分子模拟手段模建和研究HBsAg的Pres12分子结构.分析序列组成的特点可知,在HBsAg的 Presl2中,前Sl区域中的氨基酸组成多为疏水的氨基酸,具有典型的疏水区段特征,因此Sl区很有 可能形成构型性的空间三维结构,从而具有一定的活性部位与宿主细胞蛋白相互作用.s2区具有较多 的亲水性基团,易形成线性的空间结构与细胞磷脂层中的S蛋白相连接. 2.2二级结构预测 选择较高准确度的Swiss Model Server程序预测二级结构,结果如图1所示.可以看出,Pres12的 分子结构中以Loop结构域为主,另外还有3个 一螺旋结构,且螺旋结构主要集中在分子结构的前端, 这与实验报道的S1区是构型性的及S2区是线性的相吻合 ’ . 2.3 三维结构模建及溶液平衡构象模拟 结合序列比对和二级结构预测结果,运用同源模建方法,使用Insight 1I生物模拟软件程序搭建了 HBsAg的Pres12的三维空间初始结构.对于初始模建的蛋白模型,其骨架和侧基显然未能处于最优构 象,故运用分子力学和分子动力学计算手段进行三维结构优化计算.首先采取最陡下降法优化500 fs; 再用共轭梯度法优化500 fs;设置pH=6.0,然后再包裹2层厚度为1 nm的水分子层,并固定外层水 分子,以保证在升温退火模拟过程中蛋白质分子在水溶液环境中有足够的构象转变空间;最后在 CVFF力场作用下用Discover 3模块优化 j.由600 K缓慢降至300 K,降温梯度为100 K,鉴于没有 较好的模建模板,所以共进行1 ns的退火模拟,每步平衡温度循环中分子动力学计算后均设置分子力 学计算 .冷却后即在0 K条件下进行5 ps分子力学优化.能量收敛后HBsAg的Presl2最终构象用 于后续分析结构.最终水溶液中HBsAg的Pres12平衡构象如图2所示. 优化后的构象用Profile3D模块进行评价 ,结果如图3所示.综合得分为67.82,远高于平均值 35.47.由图3可以看出,大部分残基的模拟是合理的,仅有His128和Gln129残基模拟的合理性较差, 这可能是因为在模拟过程中这些疏水性残基未能与溶剂进行很好的隔离.但这些残基远离Presl2的活 性位点,所以它们的不合理模拟并不影响后续的研究.在分子动力学模拟过程中,势能随时间的变化 见图4,结果显示,体系能量收敛,体系达到平衡. 2.4活性功能分析 分子动力学研究结果表明,分子除螺旋和折叠结构外,还含有大量的无规卷曲区,即Loop区,倾 向于产生球状构象,这种球状构象具有高度的特异性,与蛋白质的生物活性密切相关.本文模建结果 及CD谱实验分析结果均显示,在Presl2蛋白分子结构中,Loop区占有较大比例,并且C端结构较为 灵活复杂,提示应对Presl2蛋白平衡构象进行可能的活性位点搜索和功能分析. 本文使用Insight 1I软件中的Binding Site模块对Presl2蛋白平衡构象进行活性位点搜索.在s1区 搜索得到一个由十几个氨基酸残基组成的近似椭球形的三维劈裂.其中包含残基21~47组成的多肽, 这与实验结果一致 ' .根据诱导契合原理,如果能找到一种药物,可以与这个口袋发生作用,就有 可能使HBV病毒HBsAg,甚至是整个HBV病毒粒子发生结构乃至功能上的改变. 744 高等学校化学学报 Vo1.31 1.0 皂0.5 0.0 Secondary structure CCCCC(‘CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC Disorder prediction 3l 4l 5l MGAPLSTTRRGMGQNLSVPNPLGFFPDHQLDPLFRANSSSPDWDFNTNKD l・O 星0.5 O 0 So ̄onda ̄y structure CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC{l lE ■CCCCCCCCCCCHH Disorder prediction 51 61 71 81 9l 1Ol SWPMANKVGVGGYGPGFTPPHGGLLGWSPQAQGVLTTLPADPPPASTNRR 1 0广—— ———————————————————————————————————_====_——————————————————————————————]  ●0 2 0 5 山 0.0 Secondary structure: CCCCCCCCCCCCCCCCHHHHHHHHHHHHHHHHCCCCCC ECCCCCCCCCC Disorder prediction: l0l l11 l21 l31 14l 15lSGRKPTPVSPPLRDTHPQAMQWNSTQFHQALLDPRVRALYFPAGGSSSGT 203s  J9>《 1.O r———————————————————————————————————— 0 O O 0 O 8 6 4 2 童0.5 O 0 Secondary structure CCCCCCCHHHHCCCCCCCCCCCCC Disorder prediction 15l l61 l7l l74 QNPAPTIA SLT S S I FSKTGGPAMN Fig.1 HBsAg Presl2 Swiss Model Server prediction result 0.Helix(H);b.Extended (E);C.Coil(C). 20 20 60 lO0 l40 l80 Residue number Fig.2 Equilibrium conformation of Presl2(pH=6.0) Fig.3 Profife 3D evaluation of modeling of Pres12 163.511 l63.5l1 Time/ps Time/ps 一 一Electrostatic potential/(kJ・otol ) Fig.4 Variation of the total energy(A)and total potentila energy(B) Fig.5 Electrostatic potential distri・ during the 100 ps of MD on the HBsAg(Presl2) bution of HBsAg(Presl2) 为了进一步探索Presl2的s1区域潜在的活性及功能,采用Delphi模块,通过有限差分方法求解 Possion-Boltzmann(P—B)方程对Pres12分子进行静电势分析,结果如图5所示.在图5中,红色代表负 电区域,蓝色代表正电区域,白色代表中性区域.可以看出,Presl2分子的s1区活性口袋区域为主要 静电势分布区,所含氨基酸残基显示出较大的电荷沉积,可作为结合受体的主要部位.这一活性部位 O 2 No.4 周小平等:乙型肝炎病毒表面抗原三维结构的同源模建及功能预测 6 7 8 9 u 745 有着较强的结合受体或与其它蛋白相互作用的能力,结合同源模建和活性位点搜索结果,发现s1区 三维劈裂是一个可能的活性部位,该活性口袋可能的活性残基为21~47肽段等,这与实验中测定的表 面抗原的活性位点一致.因此,研究结果为HBsAg分子实验结构的测定提供了理论模型和参考,并验 证了实验中报道的活性残基,为HBV病毒抑制剂药物分子的设计提供了有益的帮助. 参考文献 Sore inskaya I.,Paulij W.,Jansons J.,et a1..J.Immuno1.Methods[J],2002,260(1/2):251~261 Seeger c.,Mason W.S..Microbia1.Molecu1.Bio1.Rev.[J],2000,64(1):51 8 Chouteau P.,Le Seyee J.,Cannie I.,et a1..J.Viro1.[J],2001,75(23):11565一l1572 Mi|ich D.R..Immuno1.Rev.『J].1987,99:71—103 WANG Lian—Ying(王连英),JI Xiao-Hui(纪小会),YUAN Hang(袁航),et a1..Acta Chimica Sinica(化学学报)[J],2002, 60(12):2115—2119 Davis H.L.,Schirmbeck R.,Reimann J.,et a1..Hum.Gene.Ther.[J],1995,6(11):1447--1456 Geissler M.,Tokushige K.,Cbante C.C.,et a1..Gastroenterology[J],1997,112(4):13O7一】320 Michel 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Prediction of the Three Dimensional Structure of HBsAg of Hepatitis Virus ZHOU Xiao—Ping,ZHANG Mu—Xin,WANG Guang—Shu,YANG Xiao—Hong (School ofPharmacy,Jilin University,Changchun 130021,China) Abstract When hepatitis B virus(HBV)conduct the planting process into normal liver cell,hepatitis B virus surface antigen(HBsAg)plays an important role during this process,but its crystal sturcture information has not been reported in the Protein Data Bank.In order to make further research about the structure and function of HBsAg,we constructed the three dimensional structure of HBsAg Presl2 using biology information homology model methods,and explored the mechanism as an important antiviral target at the molecular level by molecu— lar simulation method.The results showed that the three dimensional structure of HBsAg consist the conforma— tional Presl and the 1inear Pres2.fhree —helixes and some loop region consist the whole sturcture,at the same time.some amino residues in the N—terminal of Presl make a cleft which forms the potential active site domain.The electrostatic analysis confirmed that,the N—terminal potential active site possess bigger electro— static distribution and may have the ability to interact with recipient cell protein,this study will provide useful information for the design of anti-HBV drug molecules. Keywords Hepatitis B;Surface antigen;Homology modeling;Molecular docking;Electro—static potential (Ed.:H,J,Z) 

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