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基于分子动力学模拟研究pH对抗菌肽LL-37结构的影响

2024-09-07 来源:星星旅游
中国抗生素杂志2015年4月第40卷第4期 245 文章编号:1001—8689(2015)04—0245—06 基于分子动力学模拟研究pH对抗菌肽LL.37结构的影响 彭冉1,2赵立岭- 曹赞霞 王吉华 , (1山东省功能大分子生物物理重点实验室,德州学院物理与电子信息学院,德州253023 2山东师范大学物理与电子科学学院,济南250014) 摘要:目的 研究溶液pH变化对抗菌肽LL一37结构的影响。方法 利用分子动力学模拟方法,采用GROMACS软件包和 OPLS—AA力场,分别在中性和强碱性条件下对LL一37进行模拟,总模拟时间达1微秒,最后对模拟轨迹进行分析处理。结果 LL.37在中性环境下具有部分螺旋结构存在,特别是N端部分残基,结构具有较大柔性;在强碱性环境下,螺旋含量增多,抗菌 核心区域残基形成螺旋结构的几率明显增大,结构稳定性增强。结论 pH值的增大会促进LL一37螺旋结构的形成,螺旋结构的 形成和与膜结合是协同的。N端残基易形成螺旋,然后是抗菌核心区域。LL-37在中性环境下的结构特征与其行使多功能的角色 相一致。该研究首次分析TLL.37在中性环境下的结构特征及pH的影响,有助于认识其抗菌机制及新药设计。 关键词:分子动力学模拟;抗菌肽;LL一37;Q一螺旋结构 中图分类号:Q617,Q51 文献标志码:A The effect of pH value on the conformational characteristics of the antimicrobial peptide LL一37 studied by molecular dynamics simulations Peng Ran‘-一,Zhao Li—ling ,Cao Zan—xia and Wang Ji-hua (1 Shandong Provincial Key Laboratory of Functional Macromolecular Biophysics,College of Physics and Electronic information, Dezhou University,Dezhou 253023;2 College of Physics and Electronics,Shandong Normal University,Jinan 2500 1 4) Abstract Objective To study the effect of solution pH on structure characteristics of antibacteria1 peptide LL一37.Methods Based on molecular dynamics simulations,LL.37 had been simulated with GROMACS software package.OPLS.AA force field and TIP4P water model under neutra1 solution and strong alkaline solution, respectively.The simulation time was up to 1 microsecond and the simulation trajectories were analyzed.The conformational characteristics were pictured by the probability of secondary structure formation,root mean square luctuation of atoms and contactf between residues.Results LL.37.especially its N—terminal residues of LL一37 fo.rmed helical structures under neutral environment,and the structures had high flexibility.Under strong alkaline condition.the helical content increased and the possibility for residues located at antibacterial core region to form helica1 structure was signiicantly ifncreased.At the same time,the structure stability was also enhanced.Conclusion For LL一37.the increase of pH value can promote the formation Of LL一37 helical structure.The formation Of LL一 37 helical structure and membrane binding is collaborative.The residues located at N termina1 are more prone to fo.rill a helical structure than others and followed by the residues located at antibacterial core region.The structure characteristics of LL.37 under neutra1 solution are consistent with its multifunctional role.This work discusses the 收稿日期: 2014—10.08 No.61271378,No.31000324 ̄No 30970561) ̄山东自然科学基金(No.ZR2014AL014) 基金项目: 国家自然科学基金(l:pengransdnu@126.tom 作者简介: 彭冉,女,生于1989年,在读硕士研究生,主要从事计算生物学研究,E—mai通讯作者, E—mail:jhw25336@l 26.com 246 基于分子动力学模拟研究pH对抗菌肽LL一37结构的影响彭冉等 structure characteristics in neutral environment and the effect of pH value on stuctrure of LL-37,which is important for understanding the antimicrobial mechanism of LL-37 and new drug design. Key words Molecular dynamics simulation;Antimicrobial peptide;LL-3 7;0【-helix structure 抗菌肽(Antimicrobial peptides,AMPs),是一 种小分子多肽。作为宿主防御蛋白,AMPs对保护 动植物等多细胞机体免于感染是必不可少的,不仅 具有杀菌作用,还能抑杀寄生虫、病毒以及肿瘤细 胞,且对正常宿主细胞毒性较小。自上世纪90年代 始,每年发现的天然抗菌肽数目逐年增多,各种类 型的抗菌肽数据库也有十多个[ 】。LL一37是抗菌肽 cathelicidin家族中唯一存在于人体的抗菌肽,也是人 体内唯一的双亲性c【.螺旋结构的阳离子抗菌肽,以 无活性的前体hCAP.18形式贮存在中性粒细胞的胞浆 颗粒内。hCAP一18被蛋白酶裂解后释放出的C末端结 构域,具有抗菌活性,因具有37个氨基酸,所以被 称为LL.37。近年来,随着抗生素药物的过分使用, 细菌耐药性逐渐增强,越来越多的多药耐药菌被临 床发现。鉴于LL.37具有广谱抗菌作用且细菌不易产 生耐药性的特 -3],引起越来越多的关注【4_-o]。细菌 细胞膜一般带负电荷,阳离子抗菌肽通过静电吸引 与细菌细胞膜发生作用,从而破坏细菌细胞膜实现 杀菌。在进化过程中,细菌细胞膜的带电属性不易 产生变化,因而细菌对抗菌肽不易产生耐药性…], AMPs有望成为新一代抗菌药物。 在微摩尔浓度下,LL一37在水溶液中没有稳 定的结构,呈无序状态,属于固有无序蛋白质 (intrinsically disordered protein,IDPs),被收录在无序 蛋白数据库中[ ]。在与不同膜结合时,则形成helix. break—helixEl3]或helix—bend—helixt ]长螺旋模式。研究 发现【l5],LL.37的螺旋含量与抗菌活性一致,所形 成的螺旋二级结构越多,抗菌活性越强。螺旋二级 结构的形成受诸多因素的影响,如:肽浓度、阴离 子浓度、溶液酸碱性(pH)等等。其中,随着溶液pH 的增大,螺旋含量增多。Johansson等[15】通过CD实 验发现,当pH降低到2~3时,LL.37在水溶液中基本 无螺旋形成;而随着pH的增加,形成螺旋结构的含 量也逐渐增加;当pH增大到13时,仍有稳定的螺旋 存在。溶液pH的变化,会使氨基酸侧链质子化状态 不同,表现为氨基酸带电极性不同,进而影响残基 间的静电相互作用,最终导致局部二级结构发生变 化。pH的变化会导致哪部分残基易形成螺旋结构? 在水溶液中,LL.37的结构是如何随pH的改变而变化 的?鉴于实验条件的限制,利用现有常规实验手段 还不能对这类问题做出回答。 分子动力学模拟方法利用计算机强大的数值计 算能力,能够模拟生物大分子构象演变的过程,得 到体系变化的瞬间构象,为从原子层面研究蛋白质 及多肽结构特征提供了强有力的工具。本文利用分 子动力学模拟方法,研究了LL.37在中性及强碱性环 境下的结构特征,发现pH变化对螺旋结构的形成有 重要影响;在中性水溶液中,LL一37的部分区域会形 成0【 螺旋结构,如具有聚集和免于被蛋白酶降解功 能的N端残基;而在强碱性环境下,行使抗菌功能的 核心区域也形成稳定的0【一螺旋结构。 1材料和方法 LL一37的初始结构取自蛋白质结构数据库(PDB ID:2K60),序列为LLGDFFRKSK EKIGKEFKRI VQRIKDFLRN LVPRTES。选用GROMACS模拟软 件包[16】、OPLS—AA力场[17JSHTIP4P水模型【l8],研究 LL.37在中性和强碱性水溶液环境下的结构特征。在 中性环境下,残基ASP ̄NGLU分别带单位负电荷, 残基LYS和ARG分别带单位正电荷,体系带5个净正 电荷。在强碱性环境下,残基ASP ̄WGLU带单位负 电荷,而残基LYS ̄ARG均不带电,体系带6个净负 电荷。在模拟中,通过对上述残基带电性的不同设 置,分别模拟体系的中性和强碱性环境。 首先,分别将模拟体系放入周期性的截断八面 体盒子中,溶质分子同盒子边缘之间的最小距离设 定为1.0nm,加入TIP4P型水,选用最陡下降法进 行能量优化,以消除水分子间较高的能量势垒。然 后,对中性和强碱性体系分别加入6个氯阴离子和5 个钠阳离子,替换能量较高的水分子,以保持溶液 的电中性环境。采用同样的能量优化方法,使加入 离子后的体系能量最小。接下来,对体系进行500皮 秒的位置约束模拟,以平衡肽链、离子和溶剂所组 成的体系,避免后面长时间模拟时出现体系崩溃。 位置约束模拟是保持肽链原子位置近似不变,主要 平衡肽段周围环境。在此期间,采用逐步升温的方 法,将模拟温度升至300K,压强选为1×105Pa。温 度和压强分别采用v.rescale[19l ̄berendsen E20]耦合的 方法保持温度和压强不变,耦合时间常数均为0.1皮 秒。选用SHAKEt211算法约束键长,相对偏差设为 10~,积分步长为2飞秒。位置约束模拟结束后,再 中国抗生素杂志2015tg4月第40卷第4期 247 对整个体系进行长时间的自由动力学模拟,每2皮 秒输出一次结构,每个体系模拟500纳秒,总计1微 意味着对LL一37而言,免于被蛋白酶降解比其行使功 能更重要。 秒。考虑到初始结构为膜环境下的螺旋结构,每个 体系各选取最后200纳秒轨迹进行分析。 2结果与讨论 为了解溶液pH对抗菌肽LL一37结构的影响,针对 中性和强碱性环境下模拟得到的构象系综,我们计 图1还表明,即便是在强碱性环境下,LL一37的 C末端残基也没有形成螺旋结构,这与实验结果一 致。二维和三维NMR实验证实【 3-14],即便是在膜环 境下,c末端残基31-37也是无结构的。 为了进一步分析抗菌核心区域KR一12形成a一螺旋 算了肽链各残基形成二级结构的几率、抗菌核心区 域0【.螺旋结构形成情况、残基间存在接触情况、原 情况,在利用STRIDE软件[2z]计算各残基是否形成c【. 螺旋的基础上,统计了该区域不同长度0【.螺旋的形 子均方根涨落以及聚类得到的代表结构,分析pH对 肽链二级结构、三级结构及结构分布的影响。 2.1 pH值对抗菌肽LL一37---级结构的影响 为了分析pH值变化对LL一37--级结构形成的影 响,我们用STRIDE软件[221分别计算了2组模拟所得 到的构象系综中各残基形成二级结构情况,如图1所 示。模拟轨迹中各残基形成二级结构的几率显示, 首先,在中性和强碱性溶液中,LL.37均有一定量的 0【一螺旋结构产生。其次,LL.37在强碱性环境下形成 0【一螺旋明显多于中性环境。进一步分析发现,在中 性环境下,残基l6~23还有一定几率形成3 螺旋,其 中残基16—18形成3 螺旋的几率接近50%,残基21~23 形成3. 螺旋的几率大于20%;在强碱性环境中,则 全部形成仪.螺旋。在上述2种模拟环境下,LL.37的C 末端均没有螺旋产生。 Johansson等[15]通过观察LL一37在水溶液中的圆二 色光谱发现,当溶液pH大于3时,存在螺旋结构, 且随着pH值的增大,0【 螺旋含量增多。图1的模拟 结果与实验观测是一致的。相对于中性环境下残基 肽段16~25以一定几率(小于87%)形成螺旋,在强碱 性环境下,残基肽段20~28几乎形成稳定的a一螺旋。 众多研究结果证实[H,z。之 】,残基肽段1 8 ̄29(KR一12)是 LL.37行使抗菌功能最小的片段,被称为核心区域。 模拟结果表明,随着溶液pH的增大,该核心区域的 .螺旋结构也在增多并趋于稳定。 在2种模拟中,N端区域残基4~11(中性)或5~11( 强碱性1也形成相对稳定的 .螺旋结构。先前研究发 现[14。s一251,N端结构域(残基1~13)与抗菌活性无关, 但参与LL.37的聚集以抵抗蛋白酶的降解。Oren等[25] 发现,即便是在较低浓度的水溶液中,也有LL.37二 聚体的存在。图1中显示了N端存在螺旋结构,可能 与聚集有关。进一步的证实需要对LL一37的二聚体或 三聚体进行模拟分析。在中性环境下,影响聚集的 区域要比抗菌核心区域形成更稳定的螺旋,这可能 成情况,并绘制概率分布图,如图2所示。图中横 坐标为归一化长度,介于0~1之间,0表示KR一12的 所有残基都没有形成螺旋,1表示所有残基都处于螺 旋状态。纵坐标为形成相应归一化长度螺旋的构象 在系综中出现的概率,该值越大,表明形成相应长 度螺旋的构象数目越多。图2显示,在中性环境下, KR.12稳定性较差,形成螺旋的长度没有显著的倾 向性;在长度为0.55~0.60 ̄lJ达峰值,也仅有31.9%的 概率。在强碱性环境下,该区域形成长螺旋的几率 。 。 。 ,。。., , , 明显比中性环境时大,特别倾向于形成0.L70~0.80和 . 麟  。 , l2O ~ 100 誊8o 性 "一 鼋60 主4o 2O O O 5 10 瓣 d吐 l5 r薹2O  25 30 35 Residue sequence 一~ a 1 窒 磊 童 山 O 5 10 l5 20 25 30 35 Residue sequence b a:中性条件下形成二级结构情况; b:强碱性条件下形成二级结构情况 图1不同模拟环境下抗菌肽LL一37残基形成不同 二级结构的概率 Fig.1 The possible secondary structure formation of antimicrobial peptide LL-37 residues under two different simulation conditions 250 基于分子动力学模拟研究pH对抗菌肽LL-37结构的影响 彭冉等 2013,41(2):143—148. 拟结果表明,LL一37螺旋形成和与膜结合是协同的, 溶液中存在的部分螺旋结构,可降I' ̄LL.37与膜结合 时构象转换的能量壁垒。 本文首次利用分子动力学模拟技术研究了抗菌 [9] Rico—Mata R,De Leon—Rodriguez L M,Avila E E.Effect of antimicrobial peptides derived from human cathelicidin LL一 37 oil Entamoeba histolytica trophozoites[J].Exp Parasitol, 肽LL一37在不同pH溶液下的结构特征,这对进一步 了解其抗菌机制及新药物设计,具有重要帮助。同 时,LL一37属于固有无序蛋白,是一类柔性很大、缺 乏稳定三维结构的一类蛋白质,其构象集合的变化 可能不同于球状结构蛋白质。在pH的影DRT,LL.37 构象集合变化也可能具有固有无序蛋白质的独特特 征,这些特征或许与其抗菌功能存在着某种联系, 但是这需要对LL一37开展大规模独立模拟才可能进行 量化分析,是一个值得研究的问题。 参考文献 Wang G.Database—guided discovery of potent peptides to combat HIV-1 or superbugs[J].Pharmaceuticals(BaseO, 2013,6(6):728—758. 【2 2]Noore J,Noore A,Li B.Cationic antimicrobial peptide LL一37 is effective against both extra—and intracellular Staph3 lococcus aureus[J].Antimicrob Agen ̄Chemother, 2013,57(3):1283—1290. 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[3] 钟海琴,蔡挺.肺炎克雷伯菌多药耐药机制研究进展[国际检验医学杂志,2012,33(61:735.737. 【4] Webster D P,Gaulton T,Woodford N.Emergence of carbapenem resistance due to porin loss in an extended- CTX-M.9、OXAI、OXAII、OXAⅡI、OXAIV ̄fDOXAV 等,AmpC[}-内酰胺酶基因CIT、MOX、DHA、ACC、 EBC和F0X等[5]。虽然两种者基因型分布种类较多, 但我们发现,流行于我们医院的肺炎克雷伯菌主要为 ESBLs基因阳性,大部分为SHV型。这与Solexa ̄,]1序法 研究肺炎克雷伯菌质粒基因组的耐药基因中的预测一 spectrum—lactamase(ESBL、一producing Klebsiella pneumoniae strain during meropenem therapy[J]./nt/ Antimicrob Agents,2010,36(6):575—576. -2008年江汉平原地区产超 [5] 陈铭,艾彪,杨德春,等.2000-致[ 。也与我们前期检测结果一致【 】。由于本地区肺 炎克雷伯菌为主要的医院感染菌株,基于基因分布情 况,为该菌株的经验治疗提供了重要的依据。再下一 广谱p.内酰胺酶肠杆菌科流行率及耐药性变迁[J].中华 医院感染学杂志,2010,20(131:1921—1923. exa ̄,O序法研宄肺炎克雷 [6] 李劲松,高升杰,周铁丽,等.Sol伯菌质粒基因组的耐药基因【J].中华微生物学与免疫学 杂志,2009,29(12):1 140—1 143. [7] 张新明,陈连平,涂斐佩.肺炎克雷伯菌ESBLs及AmpC 阶段的实验研究中,为了解肺炎克雷伯菌耐药情况的 基因多态性提供充足的实验依据。我们通过脉冲场凝 胶电泳分析不同菌株问是否存在同源性,对本地区肺 炎克雷伯菌的流行特点提供有力的证据,以加强肺炎 克雷伯菌的预防。 beta.内酰胺酶的基因分布与耐药特性的相关性研究[J]. 中国微生态学杂志,2014,26(9):1084.1087. (上接第250页) Comput P矗 ,1977,23(3):327-341. 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