原始研究的文章

前面。摩尔。Biosci。2023年2月,09年
秒。生物建模与仿真
卷10 - 2023 | https://doi.org/10.3389/fmolb.2023.1130189

耦合的绑定和折叠髓过氧物酶抑制无序自旋的氨基端地区

Yumeng张 ^__

Xiaorong刘 ^__ ^‡

精悍陈*

化学系、马萨诸塞大学阿默斯特,妈,美国

革兰氏阳性致病菌葡萄球菌表达和秘密葡萄球菌的过氧化物酶抑制剂(SPIN)蛋白质帮助规避neutrophil-mediated免疫抑制的活动主要oxidative-defense球员髓过氧化酶(MPO)酶。旋转包含结构化3-helix包c端领域,与高亲和力,能具体地绑定到MPO和内在无序n端结构域(元),折叠成一个结构化β-hairpin并将自身插入MPO的活性部位抑制。机械耦合的折叠和绑定过程的见解是必要的为了更好地了解剩余结构和/或构象的灵活性被忽视的热带病有助于抑制旋转同系物的不同优势。在这项工作中,我们应用原子的分子动力学模拟在两个旋转同系物,金黄色葡萄球菌和美国delphini分别拥有高序列同一性和相似性,探索可能的机械不同的抑制功效对人类MPO的基础。直接模拟展开和释放过程的450 K揭示这两个自旋/ MPO复合体系统遵循惊人的不同机制的耦合的绑定和折叠。而耦合的自旋-绑定和折叠葡萄球菌被忽视的热带病是高度合作,自旋-delphini被忽视的热带病似乎主要是利用一个构象selection-like机制。这些观察与压倒性的患病率诱导folding-like内在机制无序蛋白质折叠成螺旋结构在绑定。进一步模拟释放在室温下被忽略的显示,自旋-自旋delphini被忽视的热带病的更为强大的倾向形成β-hairpin像结构,符合其偏好折叠,然后绑定。这可能有助于解释为什么抑制强度不是与亲和力不同自旋同系物。总之,我们的工作建立SPIN-NTD的残余构象稳定性之间的关系和他们的抑制功能,对治疗可以帮助我们开发新的策略葡萄球菌的感染。

图形抽象

介绍

葡萄球菌是一群革兰氏阳性致病菌,可以导致广泛的感染包括肺炎、中毒性休克综合征(罗伊,1998;通et al ., 2015)。葡萄球菌感染正在成为日益严重的公共卫生威胁,∼300万例的估计在美国每年抗生素耐药性的发生率和扩大通et al ., 2015)。抵御入侵葡萄球菌先天免疫应答,中性粒细胞是至关重要的组件在主机和作为第一防线有通过释放抗菌次氯酸(Ploscariu et al ., 2018)和其他活性氧化剂种类(ROS) (Rigby和DeLeo, 2012;德容et al ., 2017)。特别是髓过氧化酶(MPO)是一种最丰富的中性粒细胞颗粒酶可以催化过氧化氢生产罗斯(H₂O₂)来帮助杀死细菌。然而,葡萄球菌被发现能够逃避neutrophil-mediated先天免疫防御,有时把宿主细胞变成“特洛伊木马”细菌传播在活的有机体内(Lambris et al ., 2008;Thwaites和甘特图,2011年;金正日et al ., 2012;跨度打et al ., 2013;加西亚et al ., 2016)。特别是,这种细菌可以秘密葡萄球菌蛋白过氧化物酶抑制剂(SPIN),结合MPO摩尔亲和力和抑制其酶活性(德容et al ., 2017;Ploscariu et al ., 2018)。旋转由一个内在无序n端结构域(元)和结构化3-helix包c端域(CTD) (德容et al ., 2017;德容et al ., 2018;Ploscariu et al ., 2018)。抑制活动需要无序自旋被忽视的热带病,可以很大程度上废除与删除或被忽视的热带病的某些突变区域(德容et al ., 2018)。结构研究表明,自旋元折叠成β-hairpin并将自身插入MPO的活性部位复杂(德容et al ., 2018),它阻止了衬底H₂O₂从访问MPO的活性口袋里的催化血红素。因此,酶就无法生产罗斯,从而保护葡萄球菌从杀死由中性粒细胞(德容et al ., 2017)。

最近,多个旋转同系物,共享高身份和构象序列相似性已确定各种抑制能力对人类MPO (Ploscariu et al ., 2018)。有趣的是,他们与绑定的抑制能力没有相关性亲和力MPO (Ploscariu et al ., 2018)。例如,尽管自旋-agnetis人类MPO的结合K_D∼42海里,几乎没有可衡量的MPO活性的抑制作用。言下之意是,折叠旋转CTD很大程度上决定了MPO的亲和力,而无序的被忽视的热带病决定了抑制效果。此外,结构的研究表明,所有SPN可能被忽视的热带病同系物折叠成基本相同的β-hairpin束缚态构象(Ploscariu et al ., 2018)。因此,功能差异旋转同系物可能直接关系到无序的状态和/或耦合绑定和折叠过程本身。具体地说,两个关键问题:1)如何残余结构或构象可塑性导致自旋被忽视的热带病的简单折叠和绑定,从而可能影响抑制强度,和2)旋转同系物显示不同的耦合机制是否绑定和折叠。

内在无序蛋白质/地区(国内流离失所者/印尼盾)像旋转经常被忽视的热带病流行在生物学和细胞调控和信号转导中起重要作用(赖特和戴森,1999年;Dunker et al ., 2001;蔡et al ., 2001;戴森和赖特,2005年;Uversky et al ., 2005;单击et al ., 2010)。国内流离失所者也经常进行耦合的绑定和折叠功能(Koshland 1960;阿加瓦尔et al ., 2002;Antikainen et al ., 2005;哈姆et al ., 2009;赖特和戴森,2009年;周,2010)。两类机制在IDP耦合的研究通常调用绑定和折叠。在所谓的构象selection-like机制(Fuxreiter et al ., 2004;夏玛et al ., 2016;瑰柏翠et al ., 2017;伯内蒂et al ., 2018;Troilo et al ., 2019),剩余结构的国内流离失所者可能类似于折叠状态复杂,作为最初的结合位点来促进有效的分子识别(即折叠,然后绑定)。另一方面,国内流离失所者可以进行快速折叠在非特异性遇到目标,遵循所谓的诱导folding-like机制(利维et al ., 2007;黄、刘,2009年;刘黄,2014)。结构可塑性发挥着更重要的作用,如使肤浅IDP折叠在目标表面(本丢,1993;奥德菲尔德et al ., 2005;Turjanski et al ., 2008;Gsponer先生,2009年;Trizac et al ., 2010;Ganguly et al ., 2012 a;Ganguly et al ., 2012 b;楚et al ., 2012;Ganguly et al ., 2013;罗杰斯et al ., 2014;刘et al ., 2019)。绑定的情况下口袋的深度和崎岖的,感应装置可以直接肽到达现场,然后折叠的大力支持州(Sugase et al ., 2007;Dosnon et al ., 2015;詹尼·et al ., 2016;森和Udgaonkar, 2019;杨et al ., 2019;托托et al ., 2020)。应该注意的是,现有机械的研究主要涉及国内流离失所者,折叠成α-helices,下令循环或单个β-strand绑定和诱导折叠已经发现在这些国内流离失所者(普遍赖特和戴森,2009年;陈,2012;陈et al ., 2020)。自旋被忽视的热带病是明显不同于这些现有的研究;它代表的第一个案例研究耦合绑定和折叠的国内流离失所者β-hairpin。折叠β-hairpin结构包括远程合作形成接触和已被证明是更慢比螺线卷曲与实质entropy-dominant自由能转换障碍(穆尼奥斯et al ., 1997;克里莫夫Thirumalai, 2000;陈et al ., 2018)。目前还不清楚如果SPIN-NTD将显示类似的机械特性与简单的折叠结构国内流离失所者。

在这项工作中,我们专注于两个自旋同系物,自旋-葡萄球菌和自旋-delphini。他们分享53%的序列的身份和80%的序列相似性,结合人类MPO摩尔亲和力和折叠成本质上相同的β-hairpin结构(Lambris et al ., 2008;Thwaites和甘特图,2011年;金正日et al ., 2012;跨度打et al ., 2013;加西亚et al ., 2016)。有趣的是,尽管自旋-delphini结合MPO∼19倍比SPIN-aureus较弱,其最大抑制浓度(IC的一半₅₀)只有∼6倍。我们将在明确溶剂主要是利用原子论的模拟探针的构象性质的被忽略的自旋-葡萄球菌和自旋-delphini并调查他们的耦合的绑定和折叠过程。我们注意到几个蛋白质粗粒度模型也被最近提出了国内流离失所者,如AWSEM-IDP (吴et al ., 2018),SOP-IDP (包尔et al ., 2019),一个modifield马提尼模型(Benayad et al ., 2021)和海尔二世(Zhang et al ., 2022)。然而,这些模型能够描述蛋白质折叠和无序状态所需的耦合研究绑定和折叠。相反,单纯模拟大大受益于GPU-enabled MD算法(最新进展菲利普斯et al ., 2005;布鲁克斯et al ., 2009;伊士曼et al ., 2012;Gotz et al ., 2012;亚伯拉罕et al ., 2015);et al ., 2017年),它可以提供超过100倍加速传统CPU-based方法相比,和准确的通用的蛋白质力场(Nerenberg et al ., 2012;罗·et al ., 2015;罗伯逊et al ., 2015;黄et al ., 2017;Robustelli et al ., 2018;刘、陈,2019年),已被广泛用于描述蛋白质折叠和无序的重新平衡。模拟temperature-driven离解过程的两个自旋/ MPO复合物在450 K概括旋转CTD主导具体绑定MPO和进一步揭示了不同耦合绑定和被忽视的热带病的折叠这两个自旋同系物。绑定和自旋-折叠高度合作葡萄球菌被忽视的热带病,而自旋-delphini被忽视的热带病喜欢部分折叠之前绑定到MPO活性部位。进一步模拟在室温下显示的自旋-delphini被忽视的热带病更结构化的。这些结果表明残余旋转结构的一个重要作用被忽视的热带病的简单识别和MPO的抑制,这可能帮助我们更好地理解sequence-structure-function旋转的关系。

方法

高温模拟旋转/ MPO复合物

所有模拟进行GPU加速CHARMM / OpenMM接口(布鲁克斯et al ., 2009;李et al ., 2016;伊士曼et al ., 2017在CHARMM36m力场)(黄et al ., 2017),这是一个最新的通用的蛋白质力场专门为国内流离失所者和优化结构蛋白质。初始结构的自旋-葡萄球菌和自旋-delphini在复杂的人类MPO被晶体结构(PDB 5 uzu自旋-葡萄球菌(德容et al ., 2018)和6 bmt自旋-delphini(Ploscariu et al ., 2018)(见图1一个)。降低计算成本,只有部分在12的MPO的旋转都包含在当前模拟,包括残留167 - 200,255 - 444,490 - 506,526 - 540,和566 - 596年MPO (Supplemetary图S1)。为了防止MPO的展开,所有骨干重原子的结构化MPO段(不包括循环残留268 - 288,380 - 395,和317 - 328年)和绑定血红素组被谐波抑制潜力的力常数1.0千卡/摩尔²在所有模拟)。适量的钠⁺和Cl⁻添加了离子中和系统,达到50 mM的氯化钠浓度符合实验条件(Ploscariu et al ., 2018)。最后溶剂化框包含关于∼∼30000 TIP3P水分子和有一个维度9.2海里³×9.4海里³×11.3海里³。

图1

图1。(一)自旋-叠加的结构葡萄球菌和自旋-delphini在复杂的人类MPO。结构被从PDB 5 uzu和6 bmt自旋-葡萄球菌和自旋-delphini,分别。MPO颜色是灰色和自旋-葡萄球菌和自旋-delphini分别颜色红色和绿色。血红素是棒所示。(B)被忽视的热带病的两个自旋同源染色体序列保守残基以蓝色突出显示用黄色和类似的残留物。序列比对是计算使用爆炸(公园et al ., 2012),显示53%的身份和80%的相似性。二级结构的束缚态与箭头标记。

每个溶剂化系统是第一个能量最小化500步使用梯度下降和另一个500步使用基础采用牛顿迭代算法。系统然后慢慢加热从100 K到300 K 10 ps恒容条件下。平衡模拟被执行在300 K和1 atm总共1 ns,期间蛋白质重原子都是另外克制使用谐波势和力常数缓慢减少从5.0千卡/摩尔²)至0.0千卡/摩尔²)。朗之万恒温器是用来控制温度和蒙特卡罗恒压器体积移动每25个步骤被用来控制压力。长度的债券涉及氢原子都限制使用抖动算法(Ryckaert et al ., 1977),以便集成时间步2 fs。长程静电相互作用治疗使用粒子网格埃瓦尔德方法(达顿et al ., 1993),短程范德瓦耳斯就是secu * tanu减去vdW()交互处理twin-range截止在12和14。

确定最优温度释放/演变模拟,进行了一系列试验模拟温度从400 K到500 K 1 atm。注意,复杂的被发现高度稳定低于400 K。一旦一个最佳温度被确定(450 K),两套模拟进行每个复杂探测温度引起自旋展开和释放过程。在一组,三个额外的模拟进行了在450 K不同初始速度,以更好地描述旋转从MPO的离解。这些模拟运行,直到从活跃的口袋(即被忽视的热带病分离。,分数两个分子之间的本地联系人问_国际米兰< 0.3),所有发生在400 ns。在第二组,40个独立副本进行每个复杂的在450 K 250 ns,旋转的螺旋区域CTD (图1 b谐波抑制)的力常数1.0千卡/摩尔²)。第二组的目的是直接检查被忽略的展开和解脱。

室温下模拟自由被忽略

最初的折叠发夹结构SPIN-NTDs来自相同的复杂结构(图1一个)。两个系统都包含一个13-residue片段(自旋-葡萄球菌残留33-45和自旋-delphini残留28-40;看到图1 b序列)。20副本被用来模拟两个SPIN-NTDs在300 K的展开活动。溶剂化系统包含∼∼3500 TIP3P水域和维度4.2海里³×4.3海里³×5.4海里³。类似的协议如前所述还用于最小化和平衡系统。对于每一个系统,20个独立生产模拟进行50 ns 300 K,这是足以观察β-hairpin结构的自发展开。

分析

所有的分析都使用CHARMM和额外的内部脚本。所有分子可视化都准备使用VMD (汉弗莱et al ., 1996)。分数的分子间和分子内的本地联系人,问_国际米兰和问_内部,计算监控展开和释放过程。本机联系人首次发现于两个配合物的晶体结构如果最低重原子之间的距离两个残留不超过4.2 (Supplemetary表S1、S2)。注意,为分子内的本地联系人,我们排除残渣对亲密的序列空间,只考虑那些残渣IDs由至少三个不同的。联系人在模拟轨迹被使用相同的标准计算。基于蛋白质折叠漏斗理论,本地交互主导整个通路(Onuchic et al ., 1996;蔡et al ., 1999;鞋匠et al ., 2000;最好的et al ., 2013)。因此,只有本地联系人被认为是在这里。解脱和展开动力学分析了使用双指数近似的衰变问_国际米兰和问_内部平均超过所有副本运行(40复合物和20免费被忽略)。第一个50 ns轨迹被认为在展开和释放动力学分析,足以捕获分离事件。伪自由能的表面也更好的基线特征计算耦合机制绑定和折叠,推导出直接从二维(2 d)概率分布问_国际米兰和问_内部。数据用于构造接触概率,我们特别关注短段轨迹的实际分离转变发生。例如,只有第一个15 ns轨迹旋转之一——复制品葡萄球菌/ MPO模拟被认为,包括整个解脱和演变的过渡Supplemetary图S2。通过这样做,结果不会是瞬态干扰的重折叠事件完成分离后观察Supplemetary图S2例如副本40 200 ns)。所选择的每个轨迹段计算接触地图中可以找到S3 Supplemetary表。注意,副本,被忽视的热带病仍然绑定和250 ns-simulation折叠结束的时候,我们只选择第一个50 ns的轨迹计算接触地图。通过这种方式,我们可以避免掩盖重要细节的转变途径over-representing数据绑定和折叠状态。

结果与讨论

高温模拟显示步进式旋转绑定被忽视的热带病和CTD

高温模拟已被证明能够提供可靠的研究蛋白质折叠的结构化以及耦合的绑定和折叠的国内流离失所者(Verkhivker et al ., 2003;Daggett 2006;陈和罗,2007年;Schaeffer et al ., 2008;Zhang et al ., 2012)。这里的假设是,展开和释放主要是反向耦合的绑定和折叠。虽然许多机械的细节来自高温模拟实验比较好(Verkhivker et al ., 2003;Daggett 2006;陈和罗,2007年;Schaeffer et al ., 2008;Zhang et al ., 2012),它也知道,最可能的转变途径可能取决于温度(晚餐和Karplus, 1999年)。因此,重要的是要找到的最低温度驱动展开和释放过程在一个给定的模拟时间。飞行员模拟表明,旋转的被忽视的热带病葡萄球菌只有开始使分离MPO活性口袋的450 K内∼100纳秒时间尺度,它变得更快更高的温度(Supplemetary图印地)。注意,快速分离(例如,在475 K)并不总是首选由于缺失的重要细节non-physiological条件下的风险和激活通路不是一般在生理条件下进行访问。例如,three-helix束旋转仪会迅速融化在475 K以上,导致过早分解中MPO 10年代的ns。这是自旋与实验观察一致连续油管在很大程度上决定MPO绑定(德容et al ., 2018)。相反,模拟在450 K似乎描绘一个更现实的分离过程,在被忽视的热带病解开第一而CTD基本上仍褶皱和绑定(图2)。明显的解耦和步进式旋转CTD和被忽视的热带病的绑定可以解释为什么很少有抑制强度之间的相关性和绑定关联不同的自旋同系物。很有可能两个域的自旋与MPO交互时几乎独立绑定和功能。因此,一些旋转同系物,如自旋-agnetis显示类似的自旋-摩尔绑定的亲和力葡萄球菌,但没有检测到人类MPO(抑制能力Ploscariu et al ., 2018)。根据这些观察,我们将专注于自旋耦合的绑定和折叠的被忽视的热带病CTD时谐波抑制的束缚态后续的模拟和分析。

图2

图2。分数的分子间接触元(蓝色)和CTD(红色)的四个独立的模拟自旋-自旋葡萄球菌在450 K / MPO复杂。

合作绑定和折叠的自旋-葡萄球菌被忽视的热带病

总共有40个独立的250 - ns模拟在450 K探索构象变化,动态交互和离解通道的自旋-葡萄球菌与人类MPO被忽视的热带病。总结如Supplemetary图S2自旋-葡萄球菌被忽视的热带病往往迅速分离及其演变和解脱经常同时发生。例如,在36个40的副本(除了副本6、8、16和25),被忽视的热带病完全分离(问_国际米兰在200 ns < 0.2)。尤其是在30的36分(除了副本10、11、17日,23日,29岁,35)解放/展开发生在第一个50 ns,有时甚至在15 ns更快。特征描述离解过程和探针耦合的绑定和折叠的机制,我们计算的平均分数被忽视的热带病,形成的分子间和分子内的本地联系人表示问_国际米兰和问_内部分别从所有副本。然后,结果被配备了一个双指数函数(图3一)。毫不奇怪,自旋的解脱和展开动力学-葡萄球菌被忽视的热带病是相似的,与观测一致出现高度相关。所示图3一快速,最初的阶段 $τ_{1}$ 0.12和0.28 ns解脱和展开,分别,紧随其后的是一个缓慢的阶段释放( $τ_{2}$ 11.40 ns)和展开( $τ_{2}$ 13.45 ns)。我们进一步构造伪二维表面自由能的函数被忽视的热带病问_国际米兰和问_内部,来自离解过渡段(有关详细信息,请参阅方法)。所示的结果图3 b旋转-,证实了一个高度合作机制葡萄球菌被忽视的热带病的绑定和折叠和被忽视的热带病问_国际米兰和问_内部同时增加高度相关的方式。最小自由能路径(虚线)主要遵循的对角线预期理想的合作机制。

图3

图3。合作绑定和折叠的自旋-葡萄球菌被忽视的热带病。(一)平均分子内和分子间本地联系分数(问_国际米兰和问_内部在450 K)作为一个函数的仿真时间。双指数适合使用虚线图,也显示与实际参数。(B)伪表面自由能的函数问_国际米兰和问_内部来自过渡路径(见方法)。虚线表示的最小自由能通路。关键州(U,我和B)也贴上。(C)沿着最小自由能代表构象关键州路径,与自旋-葡萄球菌分别和MPO显示为红色和浅灰色。

表面自由能也揭示了三个主要的被忽视的热带病折叠构象州MPO和绑定。状态B(绑定),这两件事问_国际米兰和问_内部0.8以上,完全折叠和束缚态,和国家U(释放),与问_国际米兰和问_内部低于0.2,充分展现和释放状态。此外,还有部分绑定和折叠亚态,我(中间状态),的值问_国际米兰和问_内部约0.4。代表三个州的复杂的构象(图3 c)说明自旋-葡萄球菌被忽视的热带病并不倾向于pre-fold到一些“类原生”β-hairpins构象之前绑定MPO的活性部位,和反之亦然。合作的本质——旋转葡萄球菌被忽视的热带病与以前的实验和计算研究耦合的绑定和折叠的国内流离失所者到non-β-hairpin结构(陈,2012),诱导folding-like机制普遍存在。然而,这可能不是令人惊讶的合作性质的折叠孤立β-hairpins (穆尼奥斯et al ., 1997;克里莫夫Thirumalai, 2000;陈et al ., 2018)。特别是,β-hairpin折叠的“限速”通常是∼μs⁻¹相比,慢得多螺线卷曲转换(∼100 ns),由于形成远程交互的要求和entropy-dominant壁垒的存在。因此,一旦自旋-葡萄球菌CTD结合紧密,本土一样与MPO表面相互作用促进发挥直接作用被忽视的热带病,实现一个简单的快速折叠堵塞的MPO活性部位进行抑制。

自旋-构象selection-like机制delphini被忽视的热带病

而自旋-葡萄球菌分泌的金黄色葡萄球菌似乎特别适应生存neutrophil-mediated豁免权最高的亲和力(K_D= 15.9海里)和抑制强度(IC₅₀对人类MPO = 4.6海里),自旋-delphini有一个温和的亲和力(K_D= 310 nM),但第二个抑制能力强(IC₅₀= 29.7海里)在九旋同系物之前分析(Ploscariu et al ., 2018)。一个可能的解释是,自旋-delphini被忽视的热带病可能已经进化到更少依赖CTD的紧密结合。有趣的是,高温模拟实际上揭示耦合的绑定和折叠之间的显著差异从自旋-被忽略葡萄球菌和自旋-delphini。总结如S3 Supplemetary图,∼40%的40(17/40)副本失败观察完全离解自旋-delphini被忽视的热带病的在250 ns模拟自旋-大约三倍的∼10%葡萄球菌。这意味着自旋-delphini被忽视的热带病适合MPO的活性部位比SPIN-aureus被忽视的热带病紧缩,这将是一致的不均衡地强烈的自旋-抑制功能delphini虽然削弱了整体的亲和力。

进一步分析的展开和释放动力学和表面自由能显示,自旋-delphini被忽视的热带病主要遵循不同的构象selection-like机制(图4),您会获得大量原生β-hairpin结构之前与MPO形成分子间的相互作用。这是反映在解脱和展开动力学。平均而言,自旋-的释放率delphini被忽视的热带病(( $τ_{1}$ = 0.06 ns, $τ_{2}$ = 18.4 ns,图4一)类似于自旋-葡萄球菌被忽视的热带病( $τ_{1}$ = 0.12 ns, $τ_{2}$ = 11.4 ns,图3一)。然而,利率的自旋-delphini被忽视的热带病( $τ_{1}$ = 1.31 ns, $τ_{2}$ = 196.97 ns)超过10倍低于释放率。此外,自旋-delphini被忽视的热带病在15 ns,相当多的折叠问_内部0.3∼0.6∼相比,旋转葡萄球菌被忽视的热带病。也就是说,当自旋-葡萄球菌被忽视的热带病解放和展开类似的水平在给定时间(图3一),自旋-delphini被忽视的热带病倾向于保持更高的剩余结构虽然解开。

图4

图4。合作绑定和折叠的自旋-delphini。(一)平均分子内和分子间本地联系分数(问_国际米兰和问_内部在450 K)作为一个函数的仿真时间。双指数适合使用虚线图,也显示与实际参数。(B)伪表面自由能的函数问_国际米兰和问_内部来自过渡路径(见方法)。虚线表示的最小自由能通路,与关键州标记。(C)两大并行分解途径和关键中间状态耦合的自旋-绑定和折叠delphini被忽视的热带病人类MPO,旋转和MPO所示红色和浅灰色,分别。

最小自由能路径,虚线表示的图4 b,证明了自旋-delphini被忽视的热带病的绑定和折叠不合作,遵循两条主要路线与多个中间状态。两个路线经过一个中间状态I1,问_国际米兰低于0.7而β-hairpin结构本质上是完整的问_内部1.0∼。代表结构的覆盖从B(完全绑定)和I1,所示Supplemetary图S4,说明了自旋-delphini被忽视的热带病成为移动MPO的活性部位的口袋内没有展开。从国家I1,主要的路径(路径)穿过另一个中间状态I2a,主要有类似水平的残余分子间本地联系人(问_国际米兰0.5∼)但发夹构象成为部分展开(问_内部0.5∼)。从国家I2a,自旋-delphini元将进一步解开,然后展开达到完全游离状态(U),在并行路径B SPIN-delphini元将继续成为完全释放MPO没有显著的演变(I2b,问_内部> 0.8,问_国际米兰< 0.2),在展开之外的MPO活性部位。观察到的自旋-构象selection-like机制delphini被忽视的热带病与MPO总结了图4 c。它表明,无序段可能成为完全折叠前插入到MPO活性部位(路径B),这是一个理想的构象选择机制。这样一个过程最好是由高温模拟运行24 (S3 Supplemetary图Rep24)。路径一个更为普遍,涉及多步构象的选择。在每一步I2a B (U), MPO的被忽视的热带病首先折叠,然后绑定。后来的途径是最好的说明S3 Supplemetary图Re33。旋转的不同机制葡萄球菌和自旋-delphini被忽视的热带病的绑定和折叠可能有助于解释为什么抑制强度并不完全与绑定不同旋转同源染色体之间的亲和力。

高架pre-folding释放自旋-delphini被忽视的热带病

构象的选择是一个有效的机制耦合绑定和折叠,应该有高水平剩余结构的国内流离失所者(刘et al ., 2019)。自旋-葡萄球菌被忽视的热带病遵循合作绑定和折叠而旋转delphini元喜欢构象selection-like机制,我们进一步的稳定特征时发针形般的结构在生理条件下的状态。所示图5,尽管自旋-delphini被忽视的热带病显示稍快展开速度,它仍然比自旋-结构化葡萄球菌被忽视的热带病。限制被忽视的热带病问_内部衰变为自旋- 0.57和0.40delphini和自旋-葡萄球菌分别为(见图5一个)。重要的是,的概率分布问_内部表明,有很高的概率——旋转delphini被忽视的热带病保持部分折叠(问_内部> 0.5)。这样一个高架残余β-hairpin结构的自旋-delphini被忽视的热带病的观察是一致的构象selection-like机制的耦合的绑定和折叠(见上图)。旋转的动态特性葡萄球菌被忽视的热带病表明,这取决于特定MPO交互来促进其折叠到β-hairpin结构,因此合作后绑定和折叠机制(图3 b)。

图5

图5。(一)被忽视的热带病的衰变问_内部SPIN-aureus(蓝色)和SPIN-delphini(红色)在300 K开始完全折叠构象,平均超过20的复制品50-ns模拟。(B)被忽视的热带病的分布问_我ntra两个旋转的同系物。

结论

广泛的显式溶剂原子论的模拟执行以获得更深的理解如何旋转的结构基础,分泌的一种蛋白质葡萄球菌,抑制人类MPO的活性来逃避neutrophil-mediated宿主先天免疫。它已经表明,折叠旋转连续油管可以绑定到MPO即使没有无序的被忽视的热带病,但后者需要MPO抑制功能。结构研究进一步表明,自旋被忽略的折叠成类似β-hairpins绑定和插入MPO活性部位进行抑制。奇怪的是,有一个贫穷的MPO亲和力、抑制效果之间的相关性在不同旋转的类似物。言下之意是,飘散的自旋被忽略的构象性质及其耦合的绑定和折叠可能扮演中心角色的MPO抑制活动。

为了进一步解决这些问题,我们进行了广泛的显式溶剂原子论的模拟使用CHARMM36m力场和研究两个自旋同系物的结构和相互作用,即自旋-葡萄球菌和自旋-delphini。的最佳温度为450 K,高温模拟显示,旋转CTD和被忽视的热带病绑定MPO遵循一个解耦的步进式机制,与实验观察一致连续油管主要负责特定MPO绑定(德容et al ., 2018)。进一步450 K解脱和展开的模拟自旋被忽视的热带病的CTD克制束缚态显示显著的区别在自旋-葡萄球菌和自旋-delphini。而耦合绑定和折叠SPIN-aureus元与MPO高度互动合作期间,自旋-delphini主要是遵循一个构象selection-like机制。都是与诱导folding-like患病率机制之前观察到在实验和计算研究的国内流离失所者,折叠成相对简单的结构,如螺旋和有序循环(陈,2012)。这是一个重要的新见解的绑定和折叠的国内流离失所者可能适用于其他国内流离失所者,需要远程交互的形成特定的绑定。Non-etheless,我们警告说,并不是所有的机械细节产生的高温将真正在房间或生理温度。额外的实验和/或计算的研究需要进一步验证上面的预测。例如,将医学方法(卢和舒尔腾,1999年)可以提供一个可行的选择,可能会引入微扰展开/解脱途径少。一个警告是找到一个适当的牵引速度足够温和,但计算可行。

原子论的模拟在室温下进一步显示,旋转机械的区别葡萄球菌和自旋-delphini可能与内在构象性质的被忽略的游离状态。具体地说,自旋,葡萄球菌被忽视的热带病是更有活力和更少的结构化,要求MPO绑定来促进其折叠,因此合作绑定和机制。另一方面,自旋-delphini被忽视的热带病有更高的倾向采用pre-folded时发针形般的构象,允许它遵循一个构象selection-like机制。正因如此,自旋-delphini被忽视的热带病是较少依赖CTD绑定为特定的交互和MPO MPO抑制。这些结构和机械的差异可以解释为什么——旋转delphini结合MPO∼19次弱于自旋-葡萄球菌,但其集成电路₅₀只是∼6倍。综上所述,当前单纯模拟不仅提供新的机械原则不平凡β-hairpins耦合的绑定和折叠的国内流离失所者时,也有助于建立structure-dynamics-function旋转同系物的关系。此外,它可能表明一个新的策略来打击葡萄球菌感染,如通过药物分子设计能够破坏剩余结构旋转的被忽视的热带病。

数据可用性声明

最初的贡献提出了研究中都包含在这篇文章/补充材料,进一步的调查可以针对相应的作者。

作者的贡献

YZ、XL和JC概念和设计的研究;YZ和XL执行仿真和分析;YZ、XL和JC分析和解释数据,起草和修改手稿。

资金

这项工作是由美国国立卫生研究院的资助R35 GM144045 (JC)。

确认

我们谢谢布莱恩Geisbrecht洞察力的早期讨论导致这项工作。所有模拟进行了派克GPU集群位于马萨诸塞州绿色高性能计算集群(MGHPCC)。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。

补充材料

本文的补充材料在网上可以找到:https://www.雷竞技rebatfrontiersin.org/articles/10.3389/fmolb.2023.1130189/full补充材料

引用

亚伯拉罕m . J。Murtola, T。舒尔茨,R。笼罩,S。史密斯,j . C。赫斯,B。,et al。(2015)。Gromacs:高性能通过多层次并行性从笔记本电脑到超级计算机分子模拟。SoftwareX1 - 2,19-25。doi: 10.1016 / j.softx.2015.06.001