受損腺嘌呤與氨基酸殘基堆積復(fù)合物的ABEEM極化力場

劉 翠， 王 洋， 鄭明杰， 尚 尉， 鄭 利

(遼寧師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，遼寧 大連 116029)

細(xì)胞基因組常會因為水解和暴露于細(xì)胞內(nèi)環(huán)境而導(dǎo)致正常堿基氧化和烷基化，發(fā)生突變，使DNA不能進行正常的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄工作.損傷堿基數(shù)量積累過多將無法與生物體相容，除非它們被移除，否則會引發(fā)疾病，嚴(yán)重時會引發(fā)癌癥[1].此種內(nèi)源性損傷必須通過DNA修復(fù)途徑中的堿基切除修復(fù)(BER)才能有效糾正，使基因組恢復(fù)正常.

堿基切除修復(fù)過程中涉及多種酶，其中用于特異性清除損傷堿基的酶稱為DNA糖基化酶[2]，它去除受損堿基的作用機理是切割核苷酸的糖苷鍵.在這一過程中，蛋白質(zhì)與堿基間除了氫鍵作用外，堆積作用也至關(guān)重要.堆積作用是一種重要的非鍵作用[3]，它主要發(fā)生在π-π共軛體系中，對于增強體系的穩(wěn)定性具有重大意義.π-π堆積作用的研究非常廣泛，包括了氨基酸與陽離子堆疊、糖-π堆疊、氨基酸-碳水化合物堆疊以及氨基酸-堿基的堆疊[4-6].例如Ebrahimi等人利用標(biāo)準(zhǔn)法和梯度平衡校正法優(yōu)化尿嘧啶U與苯丙氨酸PHE、Na+和PHE之間的π相互作用；Gattani等人提出了一個平衡預(yù)測器——StackCBPred，基于從進化驅(qū)動的序列輪廓中提取的特征，預(yù)測蛋白質(zhì)-碳水化合物結(jié)合位點.

堿基與芳香環(huán)氨基酸之間的π-π堆積作用近年來一直受到國內(nèi)外研究學(xué)者的關(guān)注.例如：Baker等人[7]對氨基酸與堿基之間的相互作用進行研究，對比了蛋白質(zhì)與核酸復(fù)合物的堆積作用的強弱，為修復(fù)酶識別堿基提供理論依據(jù)；Rutledge等人[8]通過掃描勢能面，研究了腺嘌呤、損傷腺嘌呤(3-甲基腺嘌呤)與氨基酸殘基之間的堆積作用，得出烷基化可增強修復(fù)酶活性部位的堆積相互作用，并給出了這種增強程度的度量.

目前為止，關(guān)于π-π堆積作用的研究包括化學(xué)實驗法和理論計算方法兩大類，而單純的實驗方法(如NMR和X射線晶體)雖然可以揭示DNA-蛋白質(zhì)相互作用的結(jié)構(gòu)，但是不能明確給出二體的相互作用強度信息.計算化學(xué)可以提供相關(guān)作用細(xì)節(jié).Maria等人[9]在MP2/cc-pVDZ理論水平上，利用XMCQDPT2/sa2-CASSCF(12/12)方法對HBDI(4-羥基亞芐基-1,2-二甲基咪唑啉酮)與芳香族化合物之間的π-π堆積作用進行研究，并證明了變色位移與偶極矩的相關(guān)性.Stefan等人[10]利用ONIOM(QM：MM)方法，揭示了AAG(烷基腺嘌呤DNA糖基化酶)的活性位點結(jié)合不同的底物對脫糖基化的顯著影響.

量子力學(xué)方法計算精準(zhǔn)，但計算的體系大小有限.對于復(fù)雜的生物大分子體系，必須要考慮內(nèi)部復(fù)雜的環(huán)境、極化效應(yīng)、電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)、氫鍵作用及堆疊作用.常用力場，如AMBER[11]、OPLS[12]和AMOEBA[13]等，不能精準(zhǔn)處理極化效應(yīng)和電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng).因此發(fā)展一種快速、準(zhǔn)確的極化力場，模擬修復(fù)酶與損傷堿基的堆積作用十分必要.

Yang等人將基于密度泛函理論(DFT)和電負(fù)性均衡原理建立的ABEEM電荷模型與分子力場相結(jié)合，建立ABEEM極化力場[14].此力場通過多位點模型，及位點電荷受環(huán)境和結(jié)構(gòu)變化而變化，體現(xiàn)生物分子中的極化效應(yīng)和電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)，而且計算速度快，適合于復(fù)雜生物大分子體系的模擬.

本工作通過對比從頭算的基準(zhǔn)結(jié)果，調(diào)節(jié)π位點電荷和堆疊作用函數(shù)，發(fā)展了適用于堆疊作用的腺嘌呤和氨基酸殘基的ABEEM極化力場，在ABEEM極化力場中模擬4種受損腺嘌呤(次黃嘌呤(HYP)、1-N6-乙烯基腺嘌呤(εA)、和3,9-二甲基腺嘌呤(3,9MeA)、3-甲基腺嘌呤(3MeA))與4種芳香族氨基酸殘基(組氨酸(HIS)、色氨酸(TRP)、苯丙氨酸(PHE)、酪氨酸(TYR))的堆積作用.獲得有關(guān)DNA堿基與氨基酸殘基之間堆積作用幾何結(jié)構(gòu)、電荷分布和作用強度的信息.由于這些相互作用在生命體系中扮演著無可替代的作用，因此該研究課題能為酶識別損傷腺嘌呤的機理提供理論指導(dǎo).

1 模型分子

在研究氨基酸與堿基堆疊二聚體時，如果考慮蛋白質(zhì)骨架或DNA骨架，會使得二聚體的相互作用強度發(fā)生變化，為了準(zhǔn)確計算π-π堆積相互作用能，磷酸糖主鏈和氨基酸的蛋白質(zhì)主鏈都用氫原子代替，各損傷腺嘌呤結(jié)構(gòu)如圖1.

圖1 4種損傷腺嘌呤模型圖

氨基酸殘基與受損腺嘌呤之間的π-π堆積作用會受到4種因素的影響，分別是垂直位移R1、旋轉(zhuǎn)角α、水平位移R2和傾斜角θ[15]，這4個變量如圖2所示.以3,9MeA：PHE二聚體為例說明4個參數(shù)，其中，水平位移R2的方向按照圖3虛線標(biāo)明的角度進行移動.氨基酸殘基結(jié)構(gòu)如圖3.選用可以形成二聚體穩(wěn)定體系的4個變量值進行模型構(gòu)建.結(jié)合文獻(xiàn)中4個變量的值，4種損傷腺嘌呤與氨基酸殘基的二聚體結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖2 垂直位移R1、旋轉(zhuǎn)角α、水平位移R2和傾斜角θ變化示意圖

圖3 水平位移R2示意圖，虛線代表平移方向

圖4 二聚體結(jié)構(gòu)示意圖

2 計算細(xì)節(jié)與模型方法

2.1 計算細(xì)節(jié)

使用MP2/6-31G方法對受損腺嘌呤與氨基酸殘基組成的二聚體進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使用MP2/aug-cc-pVDZ方法進行能量計算，計算的公式為

ΔE=En+Ea-Edi.

(1)

其中，Edi表示氨基酸殘基與受損腺嘌呤組成的二聚體的單點能，En表示受損腺嘌呤的單點能，Ea表示氨基酸殘基的單點能，ΔE代表氨基酸殘基與受損腺嘌呤之間的堆積能.

2.2 ABEEM極化力場模型

ABEEM極化力場除了設(shè)置原子位點，還定義了σ鍵、π鍵和孤對電子的位點，并且給出明確的電荷，這些位點的電荷隨著結(jié)構(gòu)和環(huán)境的變化而變化，反映了體系的電荷轉(zhuǎn)移和由外部分子所引起的極化效應(yīng).

ABEEM極化力場與其他力場相比，最為突出的特色是靜電相互作用，采取庫侖相互作用形式，具體表達(dá)如式(2):

(2)

其中,q是原子位點、鍵位點及孤對電子位點的電荷,rij是任意兩位點i和j間的距離,參數(shù)kij是校正因子，它充分考慮了電子與原子核之間的屏蔽效應(yīng)及鉆穿效應(yīng)，具體表達(dá)為式(3).

(3)

其中，kHB是氫鍵擬合函數(shù)具體公式參見文獻(xiàn)[14],kπH/ππ是堆疊擬合函數(shù)，具體公式為式(4)，k′,C,D,rπH/ππ是參數(shù),RπH/ππ是H原子和π位點的距離，或者兩個分子中π位點之間的距離.

(4)

2.3 ABEEM極化力場參數(shù)調(diào)節(jié)

參數(shù)的調(diào)節(jié)是本工作的重點，也是最耗費時間的部分.模型分子包括4個損傷腺嘌呤、4個氨基酸殘基，16個損傷腺嘌呤和氨基酸殘基的堆疊二聚體.本工作主要調(diào)節(jié)相關(guān)π位點參數(shù)和堆疊擬合函數(shù)相關(guān)參數(shù).π位點電荷參數(shù)通過線性回歸和最小二乘法優(yōu)化，擬合HF/STO-3G[14]水平的電荷.堆疊擬合函數(shù)通過擬合MP2/aug-cc-pVDZ方法的堆疊能確定，相關(guān)參數(shù)列于表1.

表1 堆疊擬合函數(shù)相關(guān)參數(shù)

3 結(jié)果與討論

3.1 幾何結(jié)構(gòu)

用MP2/6-31G方法和ABEEM極化力場方法將幾何結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，得到的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的參數(shù)平均絕對偏差如下：HYP與氨基酸體系的R1、R2的偏差分別為0 , 0.002 5 nm，α、θ的偏差分別為0.25,0°；εA與氨基酸體系的R1、R2的偏差分別為0,0.01 nm，α、θ的偏差分別為2.25,0.5°；3,9MeA與氨基酸體系的R1、R2的偏差分別為0,0.025 nm，α、θ的偏差分別為1.25 , 0.5°；3MeA與氨基酸體系的R1、R2的偏差分別為0,0.005 nm，α、θ的偏差分別為0.5 , 0.5°.上述結(jié)果表明ABEEM極化力場可以很好地模擬生物體系的堆積作用.

表2 HYP與氨基酸體系的4個最優(yōu)參數(shù)

表3 εA與氨基酸體系的4個最優(yōu)參數(shù)

表4 3,9MeA與氨基酸體系的4個最優(yōu)參數(shù)

表5 3MeA與氨基酸體系的4個最優(yōu)參數(shù)

3.2 電荷分布

比對HF/STO-3G方法下的電荷分布與ABEEM極化力場下的電荷分布發(fā)現(xiàn)，兩者的線性相關(guān)系數(shù)都在0.97以上，說明ABEEM極化力場可以快速、準(zhǔn)確地計算大分子體系的電荷分布.

偶極矩是判斷電荷分布是否準(zhǔn)確的物理量，將中性二聚體——HYP和εA分別與4種氨基酸形成的二聚體的偶極矩，在MP2/aug-cc-pVDZ和ABEEM極化力場下進行對比，二者的平均絕對偏差為0.39×10-30C·m，線性相關(guān)系數(shù)是0.98，說明ABEEM極化力場計算的電荷分布是合理的.只是斜率為0.747 3，說明ABEEM極化力場的偶極矩比MP2/aug-cc-pVDZ方法的偶極矩稍小.

3.3 堆疊能

用MP2/aug-cc-pVDZ和ABEEM極化力場計算出各損傷腺嘌呤、氨基酸單體與16種二聚體的單點能，可以發(fā)現(xiàn)：相同氨基酸下，各損傷堿基的堆疊能大小為3,9MeA>3MeA>εA>HYP，烷基化堿基的堆疊能要比中性受損堿基的堆疊能大，且隨著烷基的數(shù)量增多而增大，3,9MeA的堆疊能甚至是HYP的2倍.對比MP2/aug-cc-pVDZ方法和ABEEM極化力場的堆積能發(fā)現(xiàn)，能量平均絕對偏差為1.06 kJ/mol，二者的線性相關(guān)系數(shù)是0.99，非常接近于1，且斜率為1.019 8.可以看出，無論是偏差的數(shù)值還是線性相關(guān)系數(shù)均很好地說明了ABEEM極化力場能夠準(zhǔn)確地模擬堆積相互作用.

圖5 偶極矩線性相關(guān)圖

圖6 堆疊能線性相關(guān)圖

4 結(jié) 論

本文使用MP2/aug-cc-pVDZ//MP2/6-31G方法對HYP、εA、3,9MeA和3MeA分別與4種氨基酸殘基所形成的二聚體體系進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和能量的計算，將結(jié)果作為調(diào)節(jié)ABEEM極化力場π鍵位點參數(shù)的依據(jù)，本文發(fā)展的ABEEM極化力場的最突出貢獻(xiàn)就是添加了π鍵位點和堆疊作用函數(shù)，使模擬的堆積作用二聚體體系更加準(zhǔn)確.將ABEEM極化力場計算得出的結(jié)果與量子力學(xué)結(jié)果進行對比，其電荷分布、偶極矩以及堆積能的線性相關(guān)系數(shù)分別是0.97、0.98和0.99，都非常趨近于1，有很好的擬合相關(guān)性，說明本工作發(fā)展的ABEEM極化力場可以精準(zhǔn)地模擬氨基酸殘基與受損腺嘌呤間的堆積相互作用.并且用于這16種堆積二聚體體系的參數(shù)具有可轉(zhuǎn)移性，結(jié)合其考慮了分子間的靜電相互作用的優(yōu)勢，ABEEM極化力場能夠很好地應(yīng)用于DNA與蛋白質(zhì)生物大分子體系為修復(fù)機理的研究提供理論基礎(chǔ).