蛋白质精氨酸甲基转移酶PRMT7催化机制和产物特异性的理论模拟研究

作     者：任万胜 

作者单位：山东农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：钱萍

授予年度：2022年

学科分类：0710[理学-生物学] 1007[医学-药学(可授医学、理学学位)] 07[理学] 071007[理学-遗传学] 10[医学] 

主      题：蛋白质精氨酸甲基转移酶 产物特异性 QM/MM分子动力学模拟 自由能模拟 

摘      要：精氨酸(arginine,Arg)甲基化作为蛋白质翻译后修饰的重要类型之一,可以调节多种生物过程并影响各种细胞的生命活动。催化精氨酸甲基化的酶称为蛋白质精氨酸甲基转移酶(PRMTs)。精氨酸甲基化所引起的生物学效应(如:基因的激活与抑制)取决于底物精氨酸的甲基化状态,该状态受到PRMTs产物特异性的控制。根据催化生成产物的不同,PRMTs可以分为三种类型,其中I型PRMTs能够催化生成不对称的二甲基精氨酸(ω-N、N-二甲基精氨酸或ADMA)和单甲基精氨酸(MMA)产物;II型PRMTs能够催化生成对称的二甲基精氨酸(ω-N、N’-二甲基精氨酸或SDMA)和MMA产物;而作为III型PRMTs的PRMT7只能生成MMA产物。与野生型PRMT7相比,“双E发卡loop和“THWloop上的某些氨基酸残基的突变会导致III型PRMT和I、II型PRMTs之间的相互转化或甲基化活性的改变,而目前已有的实验和理论研究无法完全解释这些现象。因此,通过确定活性中心的结构/能量基础和相互作用的特征以解释PRMTs的催化机制和产物特异性极为重要。本研究基于量子力学/分子力学(QM/MM)组合方法的分子动力学模拟(MD)和PMF(potential of mean force)自由能模拟,从“双E发卡loop和“THWloop上氨基酸残基的突变入手,构建PRMT7野生型酶和各种突变体(包括E172Q、E181Q、Q329A、E181D、E181D/Q329A、I173G、E172D/E181D、E181D/Q329N、I173L/F174L、Q329H和E172D)的反应初始结构。通过PRMT7甲基化反应过程中反应态、过渡态和产物态活性位点的结构特征和能量信息,研究突变残基对PRMT7蛋白的调控作用,探讨残基突变引起的PRMT7由III型PRMT向I、II型转化和活性改变的内在因素,进而解释蛋白质精氨酸甲基转移酶PRMT7的催化机制和产物特异性。结果表明:(1)通过对PRMT7野生酶与E172Q、E181Q和Q329A突变体的分子动力学和自由能模拟与Mulliken电荷分析,总结出PRMT7催化生成MMA产物的机制有:(a)形成底物Arg的反应态构象;(b)底物Arg通过与带负电的E172和E181之间的相互作用,有效地减少了Arg胍基上的正电荷并形成更有效的亲核试剂以进攻可转移的甲基;(c)加强过渡态的相互作用。同时证明了PRMT7野生酶是一种III型PRMTs,只能催化生成MMA产物。(2)对PRMT7的E181D和E181D/Q329A突变体的模拟研究表明,它们都能够形成MMA产物并在此基础上进行第二次甲基化。通过模拟研究确定了多种重要的结构、电子和动力学特征,有助于解释PRMT7野生型酶、E181D和E181D/Q329A突变体催化生成不同产物的特性。基于反应态和过渡态构象,解释了为什么E181D突变体能够催化生成ADMA产物;E181D/Q329A双突变体能够催化生成SDMA产物。(3)模拟结果还表明,与野生型PRMT7相比,I173L/F174L和Q329H突变体均能形成良好的反应态构象,并通过E172和E181与底物Arg的胍基产生较强的盐桥相互作用,有效地降低了胍基的正电荷。从模拟得到的结构来看,过渡态的相互作用也明显增强。这些特征解释了为什么这两种突变体在催化生成MMA产物时比野生型PRMT7更活跃。相比之下,其他的突变体因缺少良好的反应态构象和/或有效的方法来降低Arg胍基上的正电荷,从而导致催化生成MMA产物的甲基化活性比野生型酶低得多,与生化实验结果相一致。基于QM/MM分子动力学和PMF自由能模拟,探讨了PRMT7野生酶和各种突变体的产物特异性在不同类型之间相互转化的内在因素,可以为进一步了解其生物学行为、功能和药物设计提供科学的理论依据和理论指导。