[论文解读] Protein corona composition of PEGylated nanoparticles correlates strongly with amino acid composition of protein surface

Giovanni Settanni, Jiajia Zhou+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 28, 2016

Polymer Surface Interaction Studies参考文献 11被引用 9

一句话总结

本研究揭示，聚乙二醇化纳米颗粒表面的蛋白冠组成主要受蛋白质表面氨基酸组成的调控，聚乙二醇（PEG）优先与非极性残基相互作用。分子动力学模拟与可及表面积模型能准确预测蛋白冠组成，其结果与实验的无标记蛋白质组学数据高度一致。

ABSTRACT

Extensive molecular dynamics simulations reveal that the interactions between proteins and poly(ethylene glycol)(PEG) can be described in terms of the surface composition of the proteins. PEG molecules accumulate around non-polar residues while avoiding polar ones. A solvent-accessible-surface-area model of protein adsorption on PEGylated nanoparticles accurately fits a large set of data on the composition of the protein corona recently obtained by label-free proteomic mass spectrometry.

研究动机与目标

• 理解调控聚乙二醇化纳米颗粒上蛋白冠形成的分子决定因素。
• 研究蛋白质表面组成如何影响其与 PEG 链的相互作用。
• 基于蛋白质表面特性，建立预测蛋白冠组成的模型。
• 利用无标记蛋白质组学实验数据验证该模型。

提出的方法

• 在水环境中对蛋白质-PEG 相互作用开展大规模分子动力学模拟。
• 基于表面疏水性分析 PEG 分子在特定氨基酸残基周围的优先聚集行为。
• 开发基于可及表面积（SASA）的模型，以量化蛋白质-PEG 相互作用能。
• 将 SASA 模型拟合至大量通过无标记蛋白质组学测得的实验蛋白冠组成数据集。
• 比较模拟预测结果与实验蛋白冠组成，评估模型准确性。
• 利用该模型关联蛋白质表面氨基酸组成与观察到的蛋白冠富集或贫化现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 蛋白质表面的氨基酸组成在多大程度上影响其对聚乙二醇化纳米颗粒的吸附亲和力？
• RQ2 疏水性残基与极性残基在决定蛋白质-PEG 相互作用中分别起什么作用？
• RQ3 基于可及表面积的模型能否定量预测聚乙二醇化纳米颗粒上蛋白冠的组成？
• RQ4 基于模拟的蛋白冠组成预测与实验的无标记蛋白质组学数据在多大程度上吻合？
• RQ5 在蛋白冠形成过程中，哪些特定氨基酸残基表现出与 PEG 链的优先相互作用？

主要发现

• PEG 分子选择性地聚集在蛋白质表面的非极性氨基酸残基周围，而避开极性残基。
• 可及表面积（SASA）模型能准确预测聚乙二醇化纳米颗粒上蛋白冠的组成。
• 该模型成功拟合了通过无标记蛋白质组学质谱获得的大规模实验蛋白冠组成数据集。
• 表面非极性残基含量较高的蛋白质在聚乙二醇化纳米颗粒的蛋白冠中表现出更强的富集。
• 利用 SASA 模型可定量且稳健地预测蛋白质表面组成与蛋白冠形成之间的相关性。
• 本研究建立了蛋白质固有表面特性与纳米颗粒蛋白冠组成之间的直接关联，为生物相容性纳米颗粒的可预测性设计提供了基础。