[论文解读] The dynamics and flexibility of protein disulphide-isomerase (PDI): predictions of experimentally-observed domain motions

J. Emilio Jimenez‐Roldan, Moitrayee Bhattacharyya+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2013

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一句话总结

本研究结合分子动力学模拟与一种快速柔性方法，对蛋白质二硫键异构酶（PDI）的结构域运动进行建模，揭示了a与a′结构域相对于中央b-b′核心的铰链运动和旋转运动是其动力学的主要模式。该柔性方法仅需分子动力学模拟10⁴分之一的计算资源，即可准确预测实验观测到的大尺度结构域间运动，为PDI构象动力学提供了互补性见解，对理解其分子伴侣与异构酶功能至关重要。

ABSTRACT

We have studied the mobility of the folding catalyst, protein disulphide-isomerase (PDI), by molecular dynamics and by a rapid approach based on flexibility. We analysed our simulations using measures of backbone movement, relative positions and orientations of domains, and distances between functional sites. Despite their different assumptions, the two methods are surprisingly consistent. Both methods agree that motion of domains is dominated by hinge and rotation motion of the a and a' domains relative to the central b-b' domain core. We identify the a' domain as showing the greatest intra-domain mobility. The flexibility method, which requires 10^4-fold less computer power, predicts additional large-scale features of inter-domain motion that have been observed experimentally. We conclude that the methods offer complementary insight into the motion of this large protein and provide detailed structural models that characterise its functionally-significant conformational changes.

研究动机与目标

• 理解蛋白质二硫键异构酶（PDI）在内质网中作为关键折叠催化剂的动态运动。
• 研究结构域移动性如何促进PDI的分子伴侣与异构酶功能。
• 比较分子动力学模拟与一种快速基于柔性分析的方法在预测大尺度结构域运动方面的准确性与效率。
• 识别与实验观测相一致的功能性重要构象变化。

提出的方法

• 采用分子动力学（MD）模拟分析PDI的主链运动、结构域取向及功能位点间距离。
• 应用基于正则模式分析的快速柔性方法，以显著降低计算成本，预测大尺度结构域运动。
• 通过结构域相对位置、旋转运动及结构域间距离等指标，对比两种方法。
• 将柔性方法与实验数据进行验证，尤其关注大尺度结构域间动力学。
• 通过分析a、a′、b与b′结构域的均方根波动及相对运动，评估结构域的移动性。
• 补充分析包括构象变化的结构表征及柔性铰链区域的识别。

实验结果

研究问题

• RQ1 在功能动力学过程中，PDI的a与a′结构域相对于中央b-b′结构域核心如何运动？
• RQ2 与完整分子动力学相比，快速柔性方法在预测PDI实验观测到的结构域运动方面准确性如何？
• RQ3 PDI中哪些结构域表现出最高的本征移动性，其运动形式为何（如铰链运动、旋转运动等）？
• RQ4 结构域间动力学在实现PDI双重分子伴侣与异构酶功能中起何作用？
• RQ5 低成本柔性方法能否可靠捕捉如PDI这类大型多结构域蛋白的功能相关构象变化？

主要发现

• a与a′结构域相对于中央b-b′结构域核心的铰链运动与旋转运动是PDI结构域动力学的主要模式。
• a′结构域在PDI所有结构域中表现出最高的内部移动性。
• 仅需分子动力学模拟10⁴分之一计算量的快速柔性方法，成功预测了实验观测到的大尺度结构域间运动。
• 分子动力学与柔性方法在识别相同主导运动模式方面表现出高度一致性，验证了柔性方法的可靠性。
• 柔性方法捕捉到了标准分子动力学模拟未能完全解析的大尺度构象特征，增强了对功能机制的理解。
• 本研究提供了PDI中功能相关构象变化的详细结构模型，将动力学与催化及分子伴侣活性联系起来。