植物凝集素結(jié)構(gòu)多樣性與藥物設(shè)計(jì)

趙蘊(yùn)杰，劉志超1222，劉琴，陳高，陳禪友，曾辰

1.喬治華盛頓大學(xué)物理系，美國(guó)華盛頓哥倫比亞特區(qū)20052 2.江漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，武漢430056

*論著——生物信息技術(shù)*

植物凝集素結(jié)構(gòu)多樣性與藥物設(shè)計(jì)

趙蘊(yùn)杰1,2，劉志超12221,2，劉琴，陳高，陳禪友，曾辰

1.喬治華盛頓大學(xué)物理系，美國(guó)華盛頓哥倫比亞特區(qū)20052 2.江漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，武漢430056

植物凝集素蛋白最早發(fā)現(xiàn)于19世紀(jì)，可特異性結(jié)合碳水化合物與糖分子。植物凝集素蛋白結(jié)合碳水化合物的高度特異性使我們可以將其作為生物工具應(yīng)用到不同領(lǐng)域。例如，植物凝集素的重要特征之一就是可以特異性結(jié)合昆蟲(chóng)消化道表面的糖分子，從而起到抗蟲(chóng)的作用。植物凝集素也可以特異性結(jié)合癌細(xì)胞膜表面的糖分子，從而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡或抑制腫瘤的生長(zhǎng)。研究表明，僅豆科植物的凝集素分子表面就有大約40萬(wàn)個(gè)潛在的結(jié)合位點(diǎn)可以特異性結(jié)合不同的糖分子。因此，研究植物凝集素的結(jié)構(gòu)特征信息對(duì)更好地理解植物凝集素的結(jié)構(gòu)功能關(guān)系與應(yīng)用有重要的意義。近年來(lái)，計(jì)算生物學(xué)的飛速發(fā)展使我們可以在分子層次上研究植物凝集素。本文主要從計(jì)算生物學(xué)角度綜述植物凝集素的結(jié)構(gòu)，序列保守性與動(dòng)力學(xué)等研究現(xiàn)狀，并以菜豆凝集素為例討論植物凝集素的藥物設(shè)計(jì)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

植物凝集素；三級(jí)結(jié)構(gòu)；進(jìn)化；藥物設(shè)計(jì)；醫(yī)學(xué)應(yīng)用

植物凝集素最早發(fā)現(xiàn)于19世紀(jì)80年代，至今已有一百多年的歷史，因其凝集紅細(xì)胞與特異性結(jié)合碳水化合物的能力，具有非常廣泛的用途[1-4]。例如，昆蟲(chóng)和高等動(dòng)物的消化道表面有很多細(xì)胞膜糖蛋白，植物凝集素與其特異性結(jié)合會(huì)引起昆蟲(chóng)和高等動(dòng)物的不適，從而起到保護(hù)植物的作用。植物凝集素也會(huì)與器官暴露在上皮細(xì)胞的糖分子特異性結(jié)合，利用植物凝集素特異性結(jié)合碳水化合物的特性，可以將其作為生物粘附劑輸送藥物到特定靶標(biāo)[5-7]。另外，植物凝集素還可以刺激細(xì)胞有絲分裂。研究表明，僅豆科植物的凝集素分子表面就有大約40萬(wàn)個(gè)潛在的結(jié)合位點(diǎn)，植物凝集素具有非常廣泛的應(yīng)用前景[8,9]。因此，研究植物凝集素的結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系，如何利用植物凝集素的結(jié)構(gòu)和生物學(xué)特性逐漸成為了熱點(diǎn)研究問(wèn)題。

2013年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了Martin Kaplus, Michael Levitt和AriehWarshel以表彰他們?cè)诎l(fā)展多尺度復(fù)雜化學(xué)系統(tǒng)模型方面所做的貢獻(xiàn)[10,11]。近年來(lái)，計(jì)算生物學(xué)領(lǐng)域的飛速發(fā)展給我們提供了一種可以理解和捕捉生物實(shí)驗(yàn)中涉及幾千甚至幾百萬(wàn)原子協(xié)同發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的工具，尤其是分子力場(chǎng)和分子動(dòng)力學(xué)模擬的不斷發(fā)展讓我們可以捕捉生物分子在原子層次上的動(dòng)態(tài)行為[12-17]。計(jì)算生物學(xué)在植物凝集素領(lǐng)域也有非常廣泛的應(yīng)用，例如Surolia等用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究香蕉凝集素二聚體在不同溫度下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性情況[18,19]。香蕉凝集素是一種同源二聚體的非糖基化蛋白，高溫動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果表明，香蕉凝集素二聚體接觸面的三級(jí)結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)二聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定至關(guān)重要。在400~500K的高溫動(dòng)力學(xué)模擬中，該二聚體結(jié)構(gòu)仍然十分穩(wěn)定，僅僅在無(wú)規(guī)卷曲有較大的柔性變化。Surolia等進(jìn)一步模擬了糖基化勁直刺桐凝集素，模擬結(jié)果表明糖基化勁直刺桐凝集素二聚體接觸面上三級(jí)相互作用的動(dòng)力學(xué)特征和靜態(tài)結(jié)構(gòu)中觀(guān)察到的三級(jí)結(jié)構(gòu)相互作用特征有較大不同[20]。因此，綜合考慮植物凝集素的靜態(tài)與動(dòng)力學(xué)特征對(duì)深刻理解植物凝集素的結(jié)構(gòu)與生物功能關(guān)系，設(shè)計(jì)生物粘附劑輸送藥物分子和設(shè)計(jì)抑制劑降低植物凝集素毒性等應(yīng)用均有非常大的幫助。

本文主要從計(jì)算生物學(xué)的角度綜述植物凝集素的現(xiàn)狀及其應(yīng)用，主要內(nèi)容有：(1)總結(jié)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)(Protein Data Bank，簡(jiǎn)稱(chēng)PDB)中植物凝集素的三級(jí)結(jié)構(gòu)特征；(2)以菜豆凝集素為例分析植物凝集素的序列保守性，靜態(tài)結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)特征；(3)以菜豆凝集素為例討論如何設(shè)計(jì)抑制劑降低植物凝集素的凝血毒性。

1　 植物凝集素三級(jí)結(jié)構(gòu)特征

植物凝集素需要折疊成特定的三級(jí)結(jié)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)其生物學(xué)功能，因此充分了解植物凝集素的三級(jí)結(jié)構(gòu)特征對(duì)理解其生物學(xué)功能至關(guān)重要。蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)是目前最主要的收集生物大分子三級(jí)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)X射線(xiàn)晶體衍射、核磁共振、電子衍射和冷凍電鏡等實(shí)驗(yàn)手段測(cè)定蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子的三級(jí)結(jié)構(gòu)[21]。目前，蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)共收集了106710個(gè)生物分子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。本章節(jié)我們將結(jié)合蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)中測(cè)定的植物凝集素實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)討論植物凝集素的三級(jí)結(jié)構(gòu)特征。

圖1　植物凝集素蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖不同顏色分別表示二聚體或多聚體中不同的蛋白質(zhì)鏈或糖分子Fig.1　Cartoon representations of lectin proteins from different fold families. Dimer structures are colored in blue and green. Sugars are colored in orange. (A) Legume lectin (PDB code: 3WCR). (B) Agaricusbisporus agglutinin homologs (PDB code: 1Y2V). (C) Amaranthins (PDB code: 1JLX). (D) Cyanovirin family (PDB code: 1L5B). (E) Galanthusnivalis agglutinin (PDB code: 1MSA). (F) Ricin-B (PDB code: 1HWM). (G) Jacalin (PDB code: 1C3M). (H) LysM (PDB code: 4EBY). (I) Hevein (PDB code: 1HEV).

研究表明，植物凝集素可根據(jù)序列和糖分子結(jié)合位點(diǎn)結(jié)構(gòu)分為12類(lèi)結(jié)構(gòu)[22]。豆科植物凝集素(Legume lectin)廣泛分布在如菜豆，刀豆，黃豆，豌豆，扁豆，花生等植物中，可特異性識(shí)別半乳糖，甘露糖，葡萄糖等糖分子。圖1A為菜豆凝集素的結(jié)構(gòu)，該單體結(jié)構(gòu)為一個(gè)7條β折疊片形成的β折疊層和6條β折疊片形成的β折疊層通過(guò)β轉(zhuǎn)角連接組成，單體長(zhǎng)度一般為250個(gè)氨基酸左右，并進(jìn)一步形成穩(wěn)定的二聚體結(jié)構(gòu)(PDB code：3WCR)[23]。ABA(Agaricusbisporus agglutinin homologs)植物凝集素單體一般由140個(gè)氨基酸左右的序列組成，可特異性識(shí)別T antigen和N-glycans等分子。圖1B為ABA植物凝集素結(jié)構(gòu)(PDB code: 1Y2V)[24]，該凝集素單體為一個(gè)4條β折疊片形成的β折疊層和6條β折疊片形成的β折疊層通過(guò)螺旋-環(huán)-螺旋的模體結(jié)構(gòu)連接組成，并進(jìn)一步形成二聚體結(jié)構(gòu)，T antigen結(jié)合在螺旋-環(huán)-螺旋模體結(jié)構(gòu)區(qū)域。Amaranthins植物凝集素主要分布在莧屬植物中，可特異性結(jié)合T antigen和GalNAc等分子。圖1C為Amaranthins植物凝集素結(jié)構(gòu)，該單體結(jié)構(gòu)由兩個(gè)150個(gè)氨基酸左右的β-trefoil通過(guò)α螺旋串聯(lián)組成，并進(jìn)一步通過(guò)頭-尾相互作用形成穩(wěn)定的二聚體結(jié)構(gòu)(PDB code: 1JLX)[25]。CVN(Cyanovirin family)植物凝集素最早在藍(lán)藻中發(fā)現(xiàn)，因其與人類(lèi)免疫缺陷病毒(HIV)表面的糖分子有較高親和性，是潛在的抗病毒分子工具。圖1D為CV-N凝集素結(jié)構(gòu)，該單體結(jié)構(gòu)主要由4個(gè)β折疊層連接組成(101個(gè)氨基酸左右)，并進(jìn)一步通過(guò)頭-尾相互作用形成穩(wěn)定的二聚體結(jié)構(gòu)(PDB code：1L5B)[26]。GNA(Galanthusnivalis agglutinin)植物凝集素最早從雪蓮花中發(fā)現(xiàn)，可特異性結(jié)合甘露糖分子。實(shí)驗(yàn)研究表明，GNA凝集素的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常保守，主要由3個(gè)β折疊層(每個(gè)β折疊層均有一個(gè)甘露糖結(jié)合位點(diǎn))形成β-prism結(jié)構(gòu)，凝集素單體一端插入另外一個(gè)單體形成β折疊層進(jìn)而形成二聚體，并進(jìn)一步形成穩(wěn)定的四聚體結(jié)構(gòu)(圖1E，PDB code：1MSA)[27]。Ricin-B植物凝集素最早在蓖麻中發(fā)現(xiàn)，為最早發(fā)現(xiàn)的植物凝集素，該凝集素可以特異性結(jié)合GalNAc等分子。晶體結(jié)構(gòu)研究表明，典型的Ricin-B凝集素單體為兩個(gè)串聯(lián)的重復(fù)結(jié)構(gòu)域組成，每個(gè)結(jié)構(gòu)域?yàn)槿龑?duì)稱(chēng)的β-trefoil結(jié)構(gòu)(圖1F,PDB code：1HWM)[28]。Jacalin植物凝集素可特異性結(jié)合半乳糖和甘露糖分子，圖1G為菊科植物的Jacalin凝集素結(jié)構(gòu)(實(shí)驗(yàn)僅解析出單體結(jié)構(gòu)，PDB code：1C3M)[29]，該結(jié)構(gòu)域由12個(gè)β折疊片形成3個(gè)重復(fù)的β折疊結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步形成二聚體和四聚體結(jié)構(gòu)。LysM植物凝集素可以特異性結(jié)合甘露糖和氨基葡萄糖等分子，空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不十分保守，典型的LysM單體結(jié)構(gòu)為40個(gè)氨基酸組成的β-α-α-β三對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，并形成多聚體結(jié)構(gòu)(圖1H，實(shí)驗(yàn)僅解析出單體結(jié)構(gòu)，PDB code：4EBY)[30]。Hevein是1975年在橡膠樹(shù)中發(fā)現(xiàn)的植物凝集素類(lèi)型，其序列長(zhǎng)度為43個(gè)氨基酸左右，空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并不十分保守。圖1I中橡膠樹(shù)Hevein凝集素N端為2個(gè)β折疊片段組成的β折疊結(jié)構(gòu)，C端為一個(gè)β折疊片段，兩個(gè)β折疊結(jié)構(gòu)間由兩個(gè)較短的螺旋結(jié)構(gòu)連接組成，并進(jìn)一步形成四聚體結(jié)構(gòu)(PDB code：1HEV)[31]。CRA(Class V chitinase homologs)植物凝集素最早由刺槐中提取[32]，單體長(zhǎng)度為337個(gè)氨基酸左右。CRA植物凝集素目前還沒(méi)有解析出晶體結(jié)構(gòu)，同源建模研究表明該結(jié)構(gòu)主要由TIM‐barrel組成，并進(jìn)一步形成二聚體結(jié)構(gòu)。Nic(Nictaba family)和EEA(Euonymus europaeuslectin)植物凝集素可以特異性結(jié)合甘露糖和聚糖等分子，并形成二聚體結(jié)構(gòu)，目前沒(méi)有實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)。

植物凝集素多為二聚體或多聚體結(jié)構(gòu)，形成二聚體主要有3種方式：(1)通過(guò)單體β折疊結(jié)構(gòu)之間的相互作用形成二聚體結(jié)構(gòu)；(2)通過(guò)單體頭-尾相互作用形成二聚體結(jié)構(gòu)；(3)通過(guò)單體一端插入另一單體形成二聚體結(jié)構(gòu)。植物凝集素二聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性對(duì)其發(fā)揮生物學(xué)功能十分關(guān)鍵。

2　 菜豆凝集素保守性與動(dòng)力學(xué)分析

菜豆是我們?nèi)粘Ｉ钪械某Ｓ檬巢?，我們以菜豆凝集素（PDB code: 3WCR）為例對(duì)凝集素二聚體結(jié)構(gòu)的序列保守性和動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行分析(比對(duì)方法為CSBLAST，序列庫(kù)為UNIREF90)[33-35]。圖2A為序列保守性投影到其三級(jí)結(jié)構(gòu)的結(jié)果。序列保守性共分為9個(gè)等級(jí)，1-3為不保守氨基酸序列(偏藍(lán))，7-9為保守氨基酸序列(偏紅)?？傮w來(lái)說(shuō)，45.4%的氨基酸序列較為保守(7-9)，25.8%的氨基酸序列不保守(1-3)，大部分β片結(jié)構(gòu)均非常保守，其中4個(gè)β片結(jié)構(gòu)(LEU67-TYR72，ASP107-PRO115，HIS160-VAL165和TRP225-THR234)組成了菜豆凝集素三級(jí)結(jié)構(gòu)的拓?fù)涔羌埽?個(gè)β片結(jié)構(gòu)(SER23-PHE29，SER88-ASN96，ALA184-ASP191，LEU196-TYR203，THR208-THR215和ASP245-LEU255)與另一單體的相應(yīng)結(jié)構(gòu)部分形成三級(jí)相互作用，從而形成穩(wěn)定的二聚體結(jié)構(gòu)。糖結(jié)合位點(diǎn)區(qū)域的兩個(gè)β片結(jié)構(gòu)(THR44-VAL45和LEU51-ARG52)的氨基酸序列不保守，有較多突變發(fā)生。菜豆凝集素要形成穩(wěn)定的二聚體結(jié)構(gòu)才能發(fā)揮生物學(xué)功能，因此菜豆凝集素三級(jí)結(jié)構(gòu)拓?fù)涔羌苌系陌被嵝蛄泻投垠w接觸面上的氨基酸序列均非常保守。不同的凝集素蛋白可以特異性結(jié)合不同的糖分子，因此糖結(jié)合位點(diǎn)附近的氨基酸序列不保守，有較多突變。

圖2　菜豆凝集素序列保守性和動(dòng)力學(xué)關(guān)聯(lián)系數(shù)分析Fig.2 Lectin sequence conservation and dynamical correlation analysis. (A) Cartoon representation of the lectin dimer structure colored by sequence conservation scores. (B) Dynamical correlation analysis of the motions of lectin dimer obtained from MD simulations.

生物分子靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析只能反映該分子某一時(shí)刻的結(jié)構(gòu)特征，其動(dòng)力學(xué)特征對(duì)全面了解結(jié)構(gòu)功能關(guān)系有非常重要的幫助。為了更加全面地描述菜豆凝集素分子的生物學(xué)特性，我們對(duì)菜豆凝集素的二聚體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)模擬分析(模擬軟件為GROMACS，力場(chǎng)為Amber03，水模型為T(mén)IP3P，模擬時(shí)間為50ns，初始結(jié)構(gòu)為菜豆凝集素二聚體結(jié)構(gòu)PDB code：3WCR)[36-38]。動(dòng)力學(xué)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)聯(lián)分析(數(shù)值區(qū)間為-1~1)可以描述分子在動(dòng)力學(xué)模擬過(guò)程中不同結(jié)構(gòu)域或氨基酸殘基之間的協(xié)同運(yùn)動(dòng)情況，動(dòng)力學(xué)關(guān)聯(lián)分析為正值表示兩個(gè)結(jié)構(gòu)域(或氨基酸殘基)之間有較為緊密的協(xié)同運(yùn)動(dòng)關(guān)系(紅色區(qū)域)，動(dòng)力學(xué)關(guān)聯(lián)分析為負(fù)值表示兩個(gè)結(jié)構(gòu)域之間的運(yùn)動(dòng)特征相反(藍(lán)色區(qū)域)，動(dòng)力學(xué)關(guān)聯(lián)分析為0則表示兩個(gè)結(jié)構(gòu)域之間沒(méi)有關(guān)系(淺綠色區(qū)域)。圖2B為動(dòng)力學(xué)關(guān)聯(lián)分析的結(jié)果，數(shù)值大于0.7表明氨基酸殘基之間有非常高的運(yùn)動(dòng)協(xié)同性，主要為同一個(gè)二級(jí)結(jié)構(gòu)單元中的氨基酸殘基。數(shù)值在0.5-0.6之間表明氨基酸殘基之間有較高的運(yùn)動(dòng)協(xié)同性，例如菜豆凝集素三級(jí)結(jié)構(gòu)拓?fù)涔羌艿摩缕Y(jié)構(gòu)(LEU37-ARG41，LEU67-TYR72，SER88-ASN96，LEU196-TYR203和THR208-THR215)之間有較高的運(yùn)動(dòng)協(xié)同性(圖2B)，二聚體接觸面上的β片結(jié)構(gòu)(SER23-PHE29，SER88-ASN96，ALA184-ASP191，LEU196-TYR203，THR208-THR215和ASP245-LEU255)之間也有較高的運(yùn)動(dòng)協(xié)同性(圖2B)。菜豆凝集素需要形成穩(wěn)定的二聚體結(jié)構(gòu)才能發(fā)揮生物學(xué)功能，因此動(dòng)力學(xué)模擬中接觸面氨基酸殘基之間的三級(jí)相互作用使兩個(gè)凝集素單體緊密結(jié)合，并協(xié)同運(yùn)動(dòng)。

圖3　菜豆凝集素糖分子結(jié)合位點(diǎn)間的主要?jiǎng)恿W(xué)通路Fig.3 Optimal pathway that enforces the correlation between the two sugar binding sitesis shown as the red spheres. These spheres represent the CA atoms of amino acids along the optimal pathway. The two monomers are colored in green and blue. The sugar molecules are colored in orange.

特異性結(jié)合糖分子是菜豆凝集素的重要生物學(xué)特征，因此我們也著重分析了菜豆凝集素二聚體兩個(gè)單體中糖結(jié)合位點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)協(xié)同性。結(jié)果表明，不同單體的糖分子結(jié)合位點(diǎn)之間也有較高的運(yùn)動(dòng)協(xié)同性(圖2B)。我們進(jìn)一步利用動(dòng)力學(xué)網(wǎng)絡(luò)模型分析了不同單體糖分子結(jié)合位點(diǎn)之間的動(dòng)力學(xué)通信路徑，兩個(gè)結(jié)合位點(diǎn)間通過(guò)15個(gè)氨基酸連接(A:ASN33, A:ARG31, A:PHE29, A:TRP249, A:SER92, A:LEU187, A:ALA199, A:ILE211, B:SER200, B:LEU187, B:SER92, B:TRP249, B:PHE29, B:ARG31, B:ASN33)(圖3)。糖結(jié)合位點(diǎn)附近的氨基酸殘基保守性較低，如ASN33(1)和ARG31(4)。動(dòng)力學(xué)通信路徑上的其它氨基酸殘基均較為保守，如A:PHE29(7)，A:TRP249(9)，A:ALA199(8)，B:TRP249(9), B:PHE29(7)等。菜豆凝集素不同單體的糖結(jié)合位點(diǎn)氨基酸殘基通過(guò)保守的氨基酸通路來(lái)保持協(xié)同作用，從而發(fā)揮相應(yīng)的生物學(xué)功能。

3　 植物凝集素藥物設(shè)計(jì)與醫(yī)學(xué)應(yīng)用

植物凝集素可以特異性結(jié)合不同的碳水化合物分子，在生物醫(yī)學(xué)中有廣泛的應(yīng)用。然而部分含有植物凝集素的食物被食用后會(huì)結(jié)合器官表皮上的糖分子，從而導(dǎo)致胃腸或肝臟無(wú)法正常地代謝蛋白質(zhì)，并制造有毒副產(chǎn)品。如果食用過(guò)多與血型不兼容的植物凝集素，體內(nèi)毒素會(huì)急劇增加。因此，如何設(shè)計(jì)抑制劑來(lái)降低植物凝集素的毒性，進(jìn)而緩解或者消除植物凝集素引發(fā)的癥狀也是近年來(lái)研究食品安全等問(wèn)題的熱點(diǎn)之一。在此，我們也以日常食用的菜豆凝集素為例討論如何設(shè)計(jì)菜豆凝集素抑制劑來(lái)緩解菜豆凝集素產(chǎn)生的毒性癥狀。方法的主要思路為：(1)在目標(biāo)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中尋找并分析潛在的藥物靶點(diǎn)；(2)結(jié)合潛在藥物靶點(diǎn)的結(jié)構(gòu)信息(藥物靶點(diǎn)的空腔體積，表面積，關(guān)鍵氨基酸等)篩選或設(shè)計(jì)藥物。針對(duì)菜豆凝集素，我們首先計(jì)算分析了單體結(jié)構(gòu)上所有的潛在藥物靶點(diǎn)。圖4中球形結(jié)構(gòu)區(qū)域?yàn)椴硕鼓貑误w中空腔體積最大的三個(gè)潛在藥物靶點(diǎn)分布情況，其中藍(lán)色區(qū)域的空腔體積最大(體積為263.87 ?3)，表面積為345.51 ?2；紫色區(qū)域的空腔體積次大(體積為230.21?3)，表面積為369.47?2；黃色區(qū)域的空腔體積為194.62?3，表面積為449.84?2。抑制劑分子若結(jié)合在藍(lán)色或者紫色區(qū)域會(huì)影響該區(qū)域的局部結(jié)構(gòu)，可能進(jìn)一步改變菜豆凝集素單體結(jié)構(gòu)，從而降低其二聚體的結(jié)合能力。黃色靶點(diǎn)區(qū)域在菜豆凝集素二聚體的結(jié)合面，抑制劑如果結(jié)合在黃色靶點(diǎn)區(qū)域，將直接和菜豆凝集素單體發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)，從而直接降低菜豆凝集素二聚體的形成效率，降低菜豆凝集素的凝血毒性。目前，我們已根據(jù)該黃色區(qū)域的結(jié)構(gòu)特征篩選并設(shè)計(jì)了短肽來(lái)抑制菜豆凝集素形成二聚體結(jié)構(gòu)，并已進(jìn)行了相應(yīng)的凝血毒性實(shí)驗(yàn)，有較好效果。

圖4　菜豆凝集素潛在藥物靶點(diǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.4 Sphere representation of the top three pockets of lectin monomer (PDB: 3WCR). The volumes of pocket 1 (colored in blue), pocket 2 (colored in purple), and pocket 3 (colored in yellow) are 263.87 ?3,230.21?3, and 194.62 ?3, respectively. The surface areas of the three pockets are 345.51 ?2, 369.47 ?2, 449.84 ?2, respectively.

4　 結(jié) 論

本文以計(jì)算生物學(xué)的視角并結(jié)合菜豆凝集素實(shí)例，從植物凝集素的三級(jí)結(jié)構(gòu)、序列保守性、動(dòng)力學(xué)特征和抑制劑設(shè)計(jì)等方面討論了植物凝集素的研究進(jìn)展及藥物設(shè)計(jì)的可能性。

1）目前蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)中的植物凝集素主要可分為12個(gè)較大的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，大多數(shù)植物凝集素都形成二聚體或者多聚體結(jié)構(gòu)。

2）菜豆凝集素序列保守性分析表明二聚體接觸面上的氨基酸較為保守(形成穩(wěn)定的二聚體結(jié)構(gòu))，糖結(jié)合位點(diǎn)的氨基酸差異性較大(特異性結(jié)合糖分子)。動(dòng)力學(xué)關(guān)聯(lián)分析表明二聚體接觸面氨基酸，不同糖分子結(jié)合位點(diǎn)的氨基酸均有較好的運(yùn)動(dòng)協(xié)同性。

3）以菜豆凝集素為例設(shè)計(jì)短肽抑制劑來(lái)降低菜豆凝集素的凝血毒性，討論了植物凝集素藥物設(shè)計(jì)的可行性與可操作性。

隨著計(jì)算生物學(xué)的不斷發(fā)展，利用植物凝集素的生物學(xué)特性并結(jié)合計(jì)算生物學(xué)的優(yōu)勢(shì)，將極大促進(jìn)植物凝集素抗蟲(chóng)，抗凝血，抗病等的應(yīng)用推廣，為植物凝集素應(yīng)用研究開(kāi)辟新的思路。

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Plant lectin protein structural classifi cation and drug design

ZHAO Yunjie1,2, LIU Zhichao1, LIU Qin2, CHEN Gao2, CHEN Chanyou2, ZENG Chen1,2
1 Department of Physics, The George Washington University, Washington DC, 20052, USA 2 School of Life Sciences, Jianghan University, Wuhan 430056, China

Plant lectinis a specifi c carbohydrate-bindingor sugar-binding protein which wasfi rst discoveredin the 19th century.Itshigh specifi city in carbohydratebindingmakes it a useful molecular tool for different biological applications. For example,plant lectin’s ability to target sugar or carbohydrate in the gastrointestinaltract of insects provides a defense mechanism against pests. Lectin protein can also bind to the membrane of cancer cellsinducing apoptosis or inhibiting growth.Previous studies showed that there are over 400,000 estimated binding sites for kidney bean lectins alone. Structural information of plant lectinsisthus essentialfor understanding their biological functions and applications.Here we report some of the most prevalenttertiary structures of plant lectins, and further probed the dynamical properties of kidney bean lectin via molecular dynamics simulations. Thestructural and dynamical information may shed some insights in lectin protein engineering and drug design for industrial and medical applications.

Plant lectin; tertiary structure; evolution; drug design; medical application

R730.58

A doi 10.11966/j.issn.2095-994X.2015.01.01.12

2015-02-24；

2015-03-21

武漢市黃鶴英才項(xiàng)目

趙蘊(yùn)杰，博士后研究員，研究方向?yàn)樯镂锢韺W(xué)，電子信箱：yjzhao.wh@gmail.com；陳禪友（通信作者），教授，研究方向?yàn)橹参镞z傳改良和利用，電子郵箱：ccy@jhun.edu.cn；曾辰（通信作者），教授，研究方向?yàn)樯镂锢韺W(xué)，電子信箱：chenz@gwu.edu

引用格式：趙蘊(yùn)杰，劉志超，劉琴,等.大數(shù)據(jù)癌癥風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)系統(tǒng)[J].世界復(fù)合醫(yī)學(xué), 2015 , 1(1): 68-73.