人类苦味受体的分子模拟研究

【摘要】苦味是五种基本味觉之一,一般会引起不愉悦感或厌恶感,而许多苦味物质对生物体都具有毒性,因此苦味的感知是机体的自我保护机制之一,可以防止有毒有害物质的摄入,与此同时,苦味也是影响食品风味和药物口服制剂患者顺应性的重要因素。苦味是通过位于味觉受体细胞细胞膜表面的苦味受体识别和传导的。苦味受体属于G蛋白偶联受体,它具有特征性的跨膜七螺旋结构。目前已知的人类苦味受体共有25种,而已知的苦味物质却数量庞大且结构各异,因此苦味识别机理非常复杂。对苦味受体的结构与功能的关系进行研究无疑具有非常重要的理论及现实意义,然而,由于实验方法的不足以及实验条件的限制,目前还难以通过实验手段来解析苦味受体的三级结构。而分子模拟方法正好可以摆脱实验条件的限制,对苦味受体的三维结构进行预测,并且能够对其结合位点进行分析,构象变化进行探讨。本论文应用蛋白质结构预测、分子对接以及分子动力学模拟等方法对苦味受体结构与功能的关系进行了研究,主要内容包括：1.对味觉的生理基础、苦味物质以及苦味受体的研究现状进行了概述,由于苦味受体属于G蛋白偶联受体,文中还对G蛋白偶联受体家族进行了介绍,重点介绍了G蛋白偶联受体的结构特点以及晶体结构研究的最新进展。2.简要介绍了蛋白质结构预测、分子对接以及分子动力学模拟等与本论文相关的分子模拟方法和技术,并对G蛋白偶联受体三级结构预测的现状简单的进行了分析和探讨。3.人类38号苦味受体(hTAS2R38)负责识别苯基硫脲(PTC)等含硫代酰胺基团化合物的苦味,它存在多种单元型(hanlotyne),其中最见的是PAV型和AVI型,这两种单元型对PTC的敏感性存在非常大的差异,PAV型对PTC非常敏感,而AVI型则不敏感。我们以牛视紫红质为模板,采用比较建模方法分别模建了PAV型和AVI型hTAS2R38的三级结构,然后利用分子对接实验预测了PTC在hTAS2R38上的结合位点,最后通过在脂双层中进行的分子动力学模拟对不同单元型hTAS2R38对PTC敏感性差异的原因进行了探讨。结果表明,PTC的结合位点位于3号螺旋、5号螺旋、6号螺旋、7号螺旋以及胞外第二环区包围形成的空腔内,比较重要的氨基酸残基为：Met100、Asn103、Gln104、Met176、Phel97、Phe264和Met286。而hTAS2R38上的三个单核苷酸多态性位点P49V、A262V和V296I并未直接与PTC发生相互作用。由于P49V位于胞内第一环区,它可能和G蛋白偶联直接相关。A262V和V296I这两个位点分别位于6号螺旋和7号螺旋上,在7号螺旋上和262位相邻的氨基酸残基为Ile285,当262号位的Ala变成Val后,由于疏水效应和空间位阻效应的增加,7号螺旋结构变得不稳定,α-螺旋结构被破坏,这可能是导致不同单元型hTAS2R38对PTC敏感性不同的重要原因。4.人类1号苦味受体(hTAS2R1)能够被苦味二肽激活,但不能被其它苦味化合物和不苦的二肽激活。我们尝试利用互联网上的蛋白质结构自动预测服务器来模建hTAS2R1的三级结构,共使用了10个服务器得到了36个三级结构模型,然后采用一致性分析和分子对接实验筛选出最佳模型,最后对筛选出的最佳空载模型以及复合物模型在脂双层中进行了较大规模的全原子比较分子动力学模拟研究。结果表明：hTAS2RI中苦味二肽的结合位点也位于3号螺旋、5号螺旋、6号螺旋、7号螺旋以及胞外第二环区包围形成的空腔内,比较重要的氨基酸残基有：Glu90、Lys244、Phe150、Ile166、Lys168、Leu85、Leu86、Glu182、Tyr237、Phe259、Ile263,其中最重要的为Glu90和Lys244,这两个残基可能决定了hTAS2R1的二肽特异性,而Leu85、Leu86等疏水性残基则能为二肽的疏水侧链提供疏水环境。位于胞内第二环区中部的Phe115以及位于3号跨膜螺旋胞内末端的Tyr103、Lys106、Va1107可能起着hTAS2R1激活控制开关的作用。在空载的hTAS2R1中,Phe115的芳香环被限制在由Tyr103、Lys106以及Val107的侧链疏水部分所组成的包围圈中,当苦味二肽进入到hTAS2R1的结合位点中之后,会导致由Tyr103、Lys106以及Va1107组成的疏水包围圈被破坏,Phe115从中脱离出来,胞内第二环区构象发生变化,形成一小段螺旋结构,受体转变为活性构象,不苦的二肽和hTAS2R1结合则不能引起这些构象变化的发生。由于Tyr103、Lys106、Val107、Phe115这四个氨基酸残基在苦味受体家族中具有极高的保守性,我们推测这一构象开关在苦味受体家族中可能具有一定的普遍性。5.最后对研究结果进行了总结,并对今后的研究进行了展望。
【作者】戴伟民；
【导师】胡一桥；
【作者基本信息】南京大学，生化化学与分子生物学，2011，博士
【关键词】分子模拟；三级结构；苦味二肽；分子对接；氨基酸残基；构象变化；视紫红质；蛋白质结构预测；苦味物质；序列比对；

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