內(nèi)皮素-1在均勻流中構(gòu)象改變的分子動力學(xué)模擬

黃慶生 肖天霞 張 鍵 魏彥杰

(中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 深圳 518055)

內(nèi)皮素-1在均勻流中構(gòu)象改變的分子動力學(xué)模擬

黃慶生 肖天霞 張 鍵 魏彥杰

(中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 深圳 518055)

內(nèi)皮素 ET-1(Endothelin-1)與其受體 ETA(Endothelin-A)和 ETB(Endothelin-B)的相互作用控制血管緊張度，維持血壓，與心血管疾病關(guān)系密切。ET-1 與血管內(nèi)皮的 ETB結(jié)合介導(dǎo)血管舒張，而與血管平滑肌的 ETA和 ETB結(jié)合則引起血管收縮。ET-1 只有在存在正常血流的體內(nèi)實驗才表現(xiàn)出明顯的舒張活性，且其結(jié)構(gòu)具有柔性，故推測血流的剪切應(yīng)力可能控制了它的構(gòu)象，進(jìn)而調(diào)控它與 ETB的結(jié)合。文章利用流動分子動力學(xué)計算機模擬方法，研究了均勻流中質(zhì)心受約束的內(nèi)皮素 ET-1 的構(gòu)象。實驗結(jié)果觀察到該分子的羧基端往氨基端靠近，整個分子變得緊湊。這個發(fā)現(xiàn)對研究 ET-1 與 ETB的相互作用和設(shè)計基于 ET-1 的心血管藥物將會有一定的指導(dǎo)意義。

內(nèi)皮素-1；內(nèi)皮素 B 受體；均勻流；分子動力學(xué)模擬

1 引 言

血流對其中的生物分子施加推力和剪應(yīng)力，這種作用近年來已被證實能夠改變生物分子的構(gòu)象，從而調(diào)控多種生理過程[1,2]。血壓的維持依賴于血管壁平滑肌細(xì)胞的收縮和舒張，而平滑肌受到內(nèi)皮素-1(Endothelin-1，ET-1)系統(tǒng)的高效調(diào)節(jié)[3]。然而，在有關(guān)血壓維持的研究中，還沒有對血流調(diào)控血壓的分子結(jié)構(gòu)機制的充分闡述。目前僅知道血流動力學(xué)通過對 ET-1 表達(dá)和分泌的調(diào)控影響血壓，并且涉及到 ET-1 的活性尚有一些相互矛盾的數(shù)據(jù)沒有得到合理解釋。這種現(xiàn)狀不利于對高血壓和動脈粥樣硬化等心血管疾病機理的研究，也阻礙了藥物的理性設(shè)計和臨床應(yīng)用[4]。

ET-1 是一個長度為 21 個氨基酸的肽(圖1(a))，最早從血管內(nèi)皮細(xì)胞的條件培養(yǎng)液中分離得到[5]。ET-1 直接作用于內(nèi)皮素 A 受體(Endothelin-A，ETA)可引起平滑肌強烈收縮[6]，但血液中 ET-1 的主要生理作用是通過內(nèi)皮素 B受體(Endothelin-B，ETB)引起血管舒張，這可能是對血壓的一種反饋控制機制[7-9]。血流有若干種機制對內(nèi)皮素系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控，包括對 ET-1 的合成和分泌調(diào)節(jié)[10-13]，對內(nèi)皮素轉(zhuǎn)化酶(Endothelin Converting Enzyme)表達(dá)的調(diào)節(jié)[14]，及對 Weilbel-Palade 小體胞吐作用的控制[15-17]，這些機制能夠在不同的時間和空間范圍改變 ET-1 的濃度。實驗表明血流可能調(diào)控血液中 ET-1 和內(nèi)皮上的 ETB結(jié)合進(jìn)而調(diào)控血壓。首先，在生理條件下血漿中的ET-1 并不表現(xiàn)其對血管收縮的特異作用[15]。而且在生理條件下占主導(dǎo)地位的是血管中的 ET-1 和內(nèi)皮細(xì)胞上的 ETB結(jié)合引起的動脈舒張，這是因為 ETA拮抗劑 BQ123 引起的前臂動脈舒張可以通過抑制 NO 合成或同時注射 ETB拮抗劑 BQ788 抵消[18]。外源性的 ETB激動劑 S6c 和 BQ3020 在冠狀動脈和乳內(nèi)動脈的離體實驗中表現(xiàn)出的也是舒張效應(yīng)和收縮效應(yīng)的相互抵消[19]。這些實驗雖然受到一些因素干擾，但卻都表明了血流、ET-1 和ETB同時存在時血管舒張的事實。另外，臨床研究表明高血壓和其他一些心血管疾病的病因是病變改變了血流的動力學(xué)性質(zhì)[20]，使得血液中 ET-1的舒張活性無法表現(xiàn)，結(jié)果其收縮活性占主導(dǎo)地位而引起病情惡化[21-23]。

蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)決定了其結(jié)合功能，血流的影響可能通過對 ET-1 構(gòu)象的精確調(diào)控達(dá)到。ET-1 羧基端的 6 個殘基形成構(gòu)象多變的尾部(圖1(a))，用 X 射線晶體衍射方法測得的是不太規(guī)整的 α 螺旋[24]，而用核磁共振方法測得的水溶液中的結(jié)構(gòu)則是無規(guī)卷曲[25-27]，Tyr13 是該蛋白的疏水中心[28]。我們推測具有柔性結(jié)構(gòu)的羧基端的構(gòu)象受到血流調(diào)控。

目前 ET-1 靜態(tài)結(jié)構(gòu)的研究已較為充分，包括靜態(tài)結(jié)構(gòu)的實驗測定和多種條件下的分子動力學(xué)模擬、蒙特卡洛模擬等[29-33]。但 ET-1 對血管緊張度的調(diào)節(jié)活性在體內(nèi)外實驗的差異表明血流可能調(diào)節(jié)了 ET-1 的活性。故要研究血流對 ET-1的調(diào)控，必須研究 ET-1 的動態(tài)結(jié)構(gòu)。分子動力學(xué)模擬能夠捕捉原子級別的動態(tài)相互作用[34]，而流動分子動力學(xué)(Flow Molecular Dynamics，F(xiàn)low MD)模擬則用顯式溶劑化的分子動力學(xué)研究流體力學(xué)，通過對水分子施加外力實現(xiàn)對水流的模擬[35,36]。對于血流調(diào)控生物大分子構(gòu)象的現(xiàn)象，該技術(shù)是揭示其中力學(xué)機制的有力工具。

本文應(yīng)用流動分子動力學(xué)模擬均勻流的環(huán)境，研究 ET-1 在水流中的構(gòu)象改變，進(jìn)一步探討動態(tài)環(huán)境中生物大分子的構(gòu)象變化及其對藥物設(shè)計的啟發(fā)。

2 材料與方法

2.1 計算機模擬方法

本文使用 VMD 軟件及其插件 PSFGEN 構(gòu)建模擬體系，完成對分子模型的操控，并使用NAMD2 軟件進(jìn)行分子動力學(xué)模擬。

已經(jīng)發(fā)表的 ET-1 的靜態(tài)結(jié)構(gòu)有若干個，本文采用其中的兩個作為模擬的初始構(gòu)象，由蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(Protein Data Bank，PDB)取得，其 ID分別為 1EDN 和 1V6R(圖 1(a))。1EDN 系由 X射線晶體衍射方法得到；1V6R 系由 ET-1 水溶液的核磁共振譜解出。

模擬體系采用 8.7 nm×4.7 nm×4.7 nm 的水框，其邊界用周期性邊界條件處理，水框中心附近放置 ET-1，體系中加入一定數(shù)目的鈉離子、氯離子模擬生理鹽水并維持電中性(圖 1(b))。

圖 1 ET-1 的結(jié)構(gòu)和模擬體系Fig. 1. Structure of ET-1 and the simulation system

作為準(zhǔn)備階段的模擬，首先對水框和離子進(jìn)行 1 萬步的能量最小化，其次對除 ET-1 的肽骨架之外的原子(包括水框和離子)進(jìn)行 1 萬步的能量最小化，然后對所有原子進(jìn)行 2 萬步的能量最小化。接下來的階段進(jìn)行 2 ns 的平衡，采用朗之萬動力學(xué)控制溫度和壓強，其中前 1 ns 固定Cys11 的 Cα原子(該原子處于 ET-1 質(zhì)心附近)，后 1 ns 用 SMD 的方法約束整個 ET-1，使其質(zhì)心固定在模擬體系中心。分別包含 1EDN 和 1V6R作為初始構(gòu)象的兩個模擬體系各自獨立進(jìn)行能量最小化和平衡后， 開始進(jìn)行生產(chǎn)性階段的模擬，每個體系再平行地運行自由分子動力學(xué)和流動分子動力學(xué)，模擬時長均為 20 ns，最后共得到 4條模擬軌跡。其中，自由分子動力學(xué)對分子不作任何操控，也不控制體系的溫度和壓強，意在觀察 ET-1 構(gòu)象的發(fā)展趨勢。

流動分子動力學(xué)通過操控水分子形成水流，觀察水流沖刷對 ET-1 構(gòu)象的影響。具體地說，對體系在 x 軸負(fù)方向一側(cè)、厚度為 0.3 nm 水層中的每個水分子中的氧原子施加指向 x 軸正方向、大小為 5.0 pN 的驅(qū)動力，使水定向運動；并且對體系中所有水分子中的氧原子按朗之萬動力學(xué)施加阻尼力(阻尼系數(shù) γ＝0.1 ps—1)，將溫度控制在310 K。在模擬開始不久(1 ns 以內(nèi))，體系中就可以形成指向 x 軸正方向、流速為 36 nm/ns 的均勻定常流。

2.2 數(shù)據(jù)分析和可視化

文中使用 VMD 顯示模擬結(jié)果并提取數(shù)據(jù)，用 R 軟件分析結(jié)果。

3 結(jié) 果

3.1 ET-1 在兩種模擬中的構(gòu)象變化

圖 2 模擬中 ET-1 的構(gòu)象變化Fig. 2. Conformational changes of ET-1 in simulation

內(nèi)皮素 ET-1 是一個長度為 21 個氨基酸的肽，分別用 X 射線晶體衍射方法[24]和核磁共振方法測得的結(jié)構(gòu)[25-27]顯示，其羧基端 6 個殘基形成構(gòu)象多變的尾部(圖 1(a))。為了避免初始構(gòu)象引起的偏倚，對這兩個代表性的結(jié)構(gòu)平行地進(jìn)行了模擬(圖 2)。其中，圖 2(a)、2(b)分別是初始構(gòu)象為 1EDN 和 1V6R 的 ET-1 在自由動力學(xué)模擬(Free Dynamics)和流動分子動力學(xué)(Flow MD)中的代表性構(gòu)象(時間為 1 ns、5 ns、10 ns和 20 ns)。而管狀模型代表 ET-1 骨架，其顏色白色、綠色、紅色和藍(lán)色分別代表疏水、親水、堿性和酸性殘基，黃色的球棍模型代表兩個二硫鍵。自由動力學(xué)模擬的結(jié)果顯示，初始構(gòu)象引起的偏倚對前 5 ns 的影響較大，其羧基端的變化幅度較大，起始于 1EDN 的模擬很快便變得不同于初始構(gòu)象。起始于 1V6R 的模擬雖然大體上維持了初始構(gòu)象，但這更可能是由于 1V6R 是水溶液中測得的結(jié)構(gòu)，自由動力學(xué)說明了 ET-1 在靜態(tài)水溶液中的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是接近于 1V6R 的。

在流動分子動力學(xué)模擬中，ET-1 的構(gòu)象變化在模擬的開端同樣比較劇烈，隨后會形成緊湊且相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。雖然水流向體系中引入了能量，但朗之萬動力學(xué)令引入的能量耗散，并且控制了溫度，ET-1 的構(gòu)象變化并不比在自由動力學(xué)中更活躍。相反，由于水流的沖刷，ET-1 適應(yīng)了這種環(huán)境后，一定程度上還受到了約束，因此其構(gòu)象處于緊張的穩(wěn)定中。

圖 3 ET-1 結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變以及相應(yīng)參數(shù)在自由動力學(xué)和流動分子動力學(xué)模擬中的比較Fig. 3. Evolution and comparison of structural parameters of ET-1 in free dynamics and in flow MD simulation

3.2 ET-1 構(gòu)象變化的定量分析和比較

分子的回轉(zhuǎn)半徑(Radius of Gyration，Rgyr)表述了分子的幾何尺寸，可度量結(jié)構(gòu)的松散程度。圖 3 為 ET-1 結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變以及相應(yīng)參數(shù)在自由動力學(xué)(Free Dynamics)和流動分子動力學(xué)(Flow MD)模擬中的比較結(jié)果。其中，圖 3(a)為初始構(gòu)象 1EDN 的 ET-1 回轉(zhuǎn)半徑 Rgyr的演化；(b)為初始構(gòu)象 1V6R 的 ET-1 回轉(zhuǎn)半徑 Rgyr的演化；(c)為回轉(zhuǎn)半徑 Rgyr模擬全程平均值和變化范圍的比較；(d)為初始構(gòu)象 1EDN 的 ET-1 的溶劑可達(dá)表面積(Solvent-Accessible Surface Area，Ssolv)的演化；(e)為初始構(gòu)象 1V6R 的 ET-1 的溶劑可達(dá)表面積 Ssolv的演化；(f)為溶劑可達(dá)表面積Ssolv模擬全程平均值和變化范圍的比較。在流動分子動力學(xué)模擬中，ET-1 的回轉(zhuǎn)半徑 Rgyr在模擬的前 5 ns 很快由較高的值(1EDN 的 1 nm 和 1V6R的 0.85 nm)降低到 0.8 nm 左右，之后雖有起伏，但基本維持在這個值(圖 3(a)、3(b))。而在自由動力學(xué)中，回轉(zhuǎn)半徑 Rgyr的起伏范圍較大，尤其是起始于 1EDN 的模擬，圍繞在 0.9 nm 左右波動；而起始于 1V6R 的模擬其回轉(zhuǎn)半徑則圍繞0.85 nm 左右波動，偶爾可以達(dá)到大于初始構(gòu)象的值?；剞D(zhuǎn)半徑模擬全程的最大值、平均值和最小值都顯示了在流動分子動力學(xué)模擬中小于自由動力學(xué)的趨勢(圖 3(c))。上述趨勢對于平均值比較明顯，可能是由于初始構(gòu)象引起的偏倚對最大值和最小值的比較有較大干擾。

蛋白分子的溶劑可達(dá)表面積 Ssolv定量刻畫分子的折疊情況，較大的溶劑可達(dá)表面積意味著分子處于解折疊狀態(tài)。而對于有鉸鏈區(qū)的分子，則可用來描述鉸鏈的開關(guān)狀態(tài)。對于模擬中 ET-1來說，當(dāng)羧基端靠近氨基端時，其溶劑可達(dá)表面積將取得較小值。

圖 4 模擬中 ET-1 的羧基端 16 至 21 號殘基的結(jié)構(gòu)參數(shù)在自由動力學(xué)和流動分子動力學(xué)模擬中的比較Fig. 4. Comparison of structural parameters of residues 16 to 21 of ET-1 C-terminal in free dynamics and in flow MD simulation

在模擬中，ET-1 的溶劑可達(dá)表面積 Ssolv有類似回轉(zhuǎn)半徑 Rgyr的趨勢，不過溶劑可達(dá)表面積 Ssolv的變化較為平穩(wěn)，波動較小。除了起始于 1V6R的自由動力學(xué)之外，其他的模擬在前 5 ns 中，溶劑可達(dá)表面積 Ssolv都很快由較高的值(1EDN 的 26 nm2和 1V6R 的 25 nm2)降低下來(圖 3(d)、3(e))。其中，在流動分子動力學(xué)中，溶劑可達(dá)表面積 Ssolv可以在 5 ns 時降低至 22 nm2左右(圖3(d)、3(e))，之后還有繼續(xù)降低的趨勢。而在自由動力學(xué)模擬中，基本上都是圍繞 24 nm2上下波動。同回轉(zhuǎn)半徑 Rgyr一樣，溶劑可達(dá)表面積Ssolv在模擬全程的最大值、平均值和最小值顯示了在流動分子動力學(xué)模擬中小于自由動力學(xué)的趨勢(圖 3(f))，尤其是對于平均值的比較。

3.3 水流對 ET-1 羧基端構(gòu)象的影響

在流動分子動力學(xué)模擬的前期(前 5 ns)，水流的動力使得 ET-1 羧基端有更大的活動范圍；而在 ET-1 的構(gòu)象適應(yīng)于水流之后，羧基端形成靠近氨基端的構(gòu)象，趨于穩(wěn)定。

為揭示這種趨勢，將 ET-1 的核心區(qū)(第 1 至15 號殘基)與模擬的初始構(gòu)象對齊后，比較其羧基端(第 16 至 21 號殘基)肽鏈骨架與初始構(gòu)象時的均方根距離(Root-Mean-Square Distance，RMSD)，結(jié)果見圖 4。其中，圖 4(a)為初始構(gòu)象 1EDN 的 ET-1 的羧基端所有原子與初始構(gòu)象的均方根距離 RMSD 的演化；(b)為初始構(gòu)象1V6R 的 ET-1 的羧基端所有原子與初始構(gòu)象的均方根距離 RMSD 的演化；(c)為羧基端 6 個 Cα原子在模擬的后 10 ns 的均方根漲落(Root-Mean-Square Fluctuation，RMSF)，圖示為這 6 個原子的平均值，誤差棒表示 6 個原子中的最大值和最小值；(d)為初始構(gòu)象 1EDN 的 ET-1 中第 21 號殘基與第 1 號殘基的質(zhì)心間距離的演化；(e)為初始構(gòu)象 1V6R 的 ET-1 中第 21 號殘基與第 1 號殘基的質(zhì)心間距離的演化；(f)為第 21 號殘基與第 1 號殘基的質(zhì)心間距離在模擬全程平均值和變化范圍的比較。圖 4(a)和 4(b)顯示，在前 5 ns中，流動分子動力學(xué)構(gòu)象的 RMSD 大于自由動力學(xué)中的構(gòu)象，之后趨于平穩(wěn)，在最后 10 ns 中變得小于自由動力學(xué)中的構(gòu)象。該部位 Cα原子的均方根漲落 RMSF 同樣表現(xiàn)出這種趨勢。后10 ns RMSF 很小，與自由動力學(xué)中形成明顯對照(圖 4(c))。流動分子動力學(xué)和自由動力學(xué)的這種差異在初始構(gòu)象為 1EDN 的模擬中更為明顯(圖4(a)、4(c))。

在兩個流動分子動力學(xué)模擬中，ET-1 羧基端都往核心區(qū)(第 1 至 15 號殘基)接近。在初始構(gòu)象為 1V6R 的模擬中，羧基端逐漸偏離其初始構(gòu)象，往氨基端(Cys1)靠攏；在初始構(gòu)象為 1EDN的模擬中，ET-1 羧基端的類 α 螺旋逐漸破壞，His16 成為鉸鏈，允許羧基端擺動，先轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃?1V6R 的構(gòu)象，最后形成羧基端和氨基端相互貼近的構(gòu)象(圖 4(d)、4(e)、4(f))。

4 討 論

ET-1 的受體有兩個：內(nèi)皮素 A 受體(ETA)和內(nèi)皮素 B 受體(ETB)[6,37]。在心血管系統(tǒng)中，ETA在血管平滑肌細(xì)胞和心肌細(xì)胞表達(dá)水平高，介導(dǎo)血管收縮[6]，從而維持生理條件下的血流動力學(xué)參數(shù)[38]。ETB高表達(dá)于內(nèi)皮細(xì)胞[39]，在平滑肌細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和血小板也有表達(dá)。內(nèi)皮細(xì)胞的 ETB激活后引起一氧化氮和前列環(huán)素等血管舒張劑的合成和分泌[40,41]，血管舒張劑隨后作用于平滑肌細(xì)胞引起血管舒張[42]。ETB結(jié)合ET-1 后內(nèi)吞，將 ET-1 清理出循環(huán)系統(tǒng)[43]。在平滑肌細(xì)胞上也有少量 ETB表達(dá)，功能與 ETA相似，可能還會與 ETA形成二聚體或多聚體[4]，介導(dǎo)收縮活性。不過，平滑肌上的 ETB的收縮效應(yīng)很小[44,45]。實驗表明，ETB敲除的小鼠會發(fā)展為高血壓[7]，而人類接受 ETB阻斷劑后血壓也會升高[8]。顯然，ETA和 ETB構(gòu)成微妙的平衡，維持循環(huán)系統(tǒng)的正常功能。更進(jìn)一步地，ET-1 的雜合子基因敲除小鼠的表現(xiàn)型是血壓升高而非降低[9]，表明雖然 ET-1 對平滑肌有強烈的收縮活性，但血液中 ET-1 的主要生理作用是引起血管舒張，作為一種反饋機制中的一環(huán)控制血壓。

血流有若干種機制對內(nèi)皮素系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控[10-17]，雖然還沒有直接針對 ET-1 和 ETB結(jié)合機制的研究，但實驗數(shù)據(jù)可能支撐血流調(diào)控血液中 ET-1 和內(nèi)皮上的 ETB結(jié)合的結(jié)論。血漿中的ET-1 濃度較低，維持在 1～10 pmol/L[46]。雖然濃度很低，但體外實驗表明這個濃度足以引起血管強烈收縮[19]，然而在生理條件下血漿中的 ET-1并不具有對血管收縮的特異作用[15]。在人體注射 ETA拮抗劑 BQ123 引起前臂動脈舒張，如果抑制 NO 合成或者同時注射 ETB拮抗劑 BQ788 則這種舒張會減弱，表明生理條件下前臂動脈的舒張依賴于內(nèi)皮細(xì)胞上 ETB和血管中 ET-1 的持續(xù)性結(jié)合[18]。與此對照，外源性的 ETB激動劑 S6c和 BQ3020 在冠狀動脈和乳內(nèi)動脈的離體實驗中都表現(xiàn)出舒張效應(yīng)和收縮效應(yīng)的相互抵消[19]。另有一個研究表明，外源性的 ETB激動劑 S6c 和BQ3020 在離體的腸系膜動脈不引起收縮，不過同一研究中也觀察到剝離內(nèi)皮后 S6c 不引起收縮，因此其數(shù)據(jù)被解釋成相關(guān)受體的表達(dá)受到微妙的調(diào)控[47]。這些實驗，不管是體內(nèi)實驗還是體外實驗，干擾因素都非常多，實驗結(jié)果看似有矛盾之處。然而，對這些矛盾的分析卻表明了血流存在時 ETB才能表現(xiàn)出明顯的舒張活性，并且暗示了血流無法調(diào)控外源的激動劑，但卻能夠促進(jìn)ET-1 與 ETB的結(jié)合。臨床研究也表明，高血壓和其他一些心血管疾病的病因是 ETB和 ET-1 的比例失衡[21]，或病變改變了血流的動力學(xué)性質(zhì)[20]，因而 ET-1 無法表現(xiàn)其舒張活性，反而表現(xiàn)其收縮活性引起病情惡化[21-23]。血流的影響可能是解釋ET-1 矛盾行為的關(guān)鍵。

本文中進(jìn)行的模擬表明，ET-1 的羧基端也許可以感受血液的動力學(xué)參數(shù)。雖然由于不同方法測得的結(jié)構(gòu)迥異，羧基端的構(gòu)象不穩(wěn)定性很早就受到了關(guān)注[29-33]，然而該區(qū)域的不穩(wěn)定性一直沒有和其與受體結(jié)合的活性聯(lián)系起來。羧基端的 6 個殘基決定了 ET-1 與 ETB的結(jié)合[48]，并且ETB的肽類激動劑和拮抗劑基本上具有和 ET-1相似的羧基端序列，而氨基端則差別較大[4,49](圖1(a))。因此，可以推測，ET-1 與 ETB結(jié)合的活性可以通過羧基端被調(diào)控，這 6 個殘基可能構(gòu)成一個構(gòu)象開關(guān)。與 ET-1 羧基端的結(jié)構(gòu)相對照，其氨基端 15 個殘基折疊成緊致的塊狀，有兩個二硫鍵維持其穩(wěn)定性，考慮到氨基端介導(dǎo)與 ETA的結(jié)合，該反應(yīng)主要發(fā)生在內(nèi)皮下組織的靜態(tài)環(huán)境中，因此與氨基端的剛性結(jié)構(gòu)相對應(yīng)[50]。由于ET-1 和兩個受體結(jié)合導(dǎo)致截然相反的生理活性，如果 ET-1 羧基端的構(gòu)象靈活性能得到確認(rèn)，那就表明可能改造已有的肽類激動劑和拮抗劑，考慮用藥部位的血流特性，更有針對性地設(shè)計藥物，控制其對受體的親和力。

血管中靠近壁面處是剪切流，剪切流場的效應(yīng)可以分解為拉伸和旋轉(zhuǎn)，柔軟的肽鏈在剪切流中可以被拉長或纏繞，取決于其長軸與速度梯度的夾角的瞬時值[51]。本文使用計算機模擬出均勻流，在其中 ET-1 受到水流的沖刷，可以體現(xiàn)剪切流的拉伸效應(yīng)。在模擬中，ET-1 的重心被約束在原點，允許其自由翻轉(zhuǎn)，這部分地模擬了剪切流的翻轉(zhuǎn)效應(yīng)。模擬的結(jié)果表明，ET-1 的回轉(zhuǎn)半徑有所縮小。在真正的剪切流中，肽鏈可能會更容易纏繞而變得緊湊。

5 結(jié) 語

本文使用流動分子動力學(xué)計算機模擬的方法研究了均勻流中，重心受約束的內(nèi)皮素 ET-1 的構(gòu)象變化。模擬結(jié)果顯示該分子的羧基端往氨基端靠近，整個分子變得緊湊。這個發(fā)現(xiàn)對研究ET-1 與 ETB的相互作用和設(shè)計基于 ET-1 的心血管藥物將會有一定的指導(dǎo)意義。

致 謝

本研究受廣州超級計算中心先導(dǎo)系統(tǒng)和中國科學(xué)院深圳超算中心支持。本研究使用的軟件 VMD 和 NAMD 由美國伊利諾伊大學(xué) Urbana-Champaign 分校的 Beckman 先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究所的理論和計算生物物理學(xué)小組開發(fā)。

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Molecular Dynamics Simulation of Endothelin-1 Conformational Changes within Uniform Flow

HUANG Qingsheng XIAO Tianxia ZHANG Jian WEI Yanjie
( Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences, Shenzhen 518055, China )

Interactions of ET-1 (Endothelin-1) with its receptors ETA(Endothelin-A) and ETB(Endothelin-B) regulate the vascular tone, maintain the blood pressure, and are closely related to cardiovascular diseases. Binding of ET-1 with ETBin the vascular endothelium induces vasodilation, while binding with ETAand ETBin vascular smooth muscle results in vasoconstriction. Because ET-1 only induces vasodilation in vivo when the blood flow is present, we speculate that the shear stress of the blood flow may control the conformation of ET-1 through its structural flexibility, thus regulate its binding with ETB. By flow molecular dynamics simulation, the conformational changes of ET-1 in uniform flow were studied with its center of mass constrained. It is found that the C-terminal of ET-1 gets closer to the N-terminal in the simulation, resulting in a compact structure. This finding may provide guidance for the study on the interaction between ET-1 and ETBand the design of ET-1-based cardiovascular drugs.

endothelin-1; endothelin B receptor; uniform flow; molecular dynamics simulation

TG 156

A

2014-01-01

國家自然科學(xué)基金項目(31100850)；深圳杰出青年基金項目(SW201110059)；國家自然科學(xué)基金項目(11204342)；深圳市科技創(chuàng)新委員會項目(JCYJ20120615140912201)；深圳市孔雀計劃項目(KQCX20130628112914299)。

黃慶生，博士，助理研究員，研究方向為生物大分子的結(jié)構(gòu)模擬、計算機輔助藥物設(shè)計和生物信息學(xué)；肖天霞，碩士，研究方向為生物信息學(xué) ；張鍵(通訊作者)，博士，研究員，研究方向為生殖與內(nèi)分泌學(xué)，E-mail：jian.zhang@siat.ac.cn；魏彥杰 (通訊作者)，博士，副研究員，研究方向為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測、生物信息學(xué)和高性能計算，E-mail：yj.wei@siat.ac.cn。