基于分子动力学模拟的VmoLac非特异性底物催化活性的理论研究

doi:10.7503/cjcu20210136

摘要/Abstract

摘要：

采用分子动力学模拟方法研究了VmoLac的非特异性底物催化活性, 模拟了VmoLac/3-oxo-C10-AHL, VmoLac/3-oxo-C6-AHL, VmoLac/γ-nonalacton和VmoLac/ethyl-paraoxon 4个复合物. 分析了分子动力学模拟过程中不同底物结合引起VmoLac构象变化的主要原因. 结果表明, 3-oxo-C10-AHL和γ-nonalacton的结合会使VmoLac活性口袋附近的Loop8结构域运动明显, 利于底物结合在Loop8疏水通道外侧进而引起催化反应; VmoLac活性口袋周围的门控残基W264和Y230之间距离的变化会影响底物的结合; Y98与长链内酯、壬内酯的羰基碳之间形成的进攻距离较小, 而与短链内酯的羰基碳以及对氧磷的磷原子之间形成的进攻距离较大, 短的距离更有利于发生亲核进攻反应; D257是引发VmoLac催化反应的关键残基; 当VmoLac催化3-oxo-C10-AHL和γ-nonalacton时, D257与极化水以及底物形成更多的氢键, 使底物与酶更容易结合. 从理论催化机制角度解释了VmoLac催化长链内酯(3-oxo-C10-AHL)比短链内酯(3-oxo-C6-AHL)的能力强, 催化壬内酯(γ-nonalacton)比对氧磷(ethyl-paraoxon)能力强的原因, 为实验结果提供了理论证明.

关键词: 嗜热磷酸三酯酶样内酯酶, VmoLac, 分子对接, 分子动力学模拟

Abstract:

The molecular dynamics simulation method was used to study the catalytic activity of VmoLac non-specific substrates. Four systems of VmoLac/3-oxo-C10-AHL， VmoLac/3-oxo-C6-AHL， VmoLac/γ-nonalacton and VmoLac/ethyl-paraoxon complexs were simulated. The main reasons for the conformational changes caused by the binding of different substrates to VmoLac were analyzed. The analysis results show that the 3-oxo-C10-AHL and γ-nonalacton combination can make the active pocket near Loop8 structure domain motion obviously. The flexible conformation made it easier for the substrate to bind to the outside of the hydrophobic channel of Loop8， which was conducive to the catalytic reaction. VmoLac activity around the pocket gating residues W264 and Y230 changes will affect the distance between the combination of the substrate. The distance between Y98 and the carbonyl carbon of long-chain lactone and nonolactone was relatively small， while the distance between Y98 and the carbonyl carbon of short-chain lactone and the phosphorus atom of phosphorus oxide was relatively large. Shorter distance was more conducive to the occurrence of nucleophilic offensive reaction. D257 was the key residue that initiated the VmoLac catalytic reaction. When VmoLac catalyzed 3-oxo-C10-AHL or γ-nonalacton， D257 formed more hydrogen ^{bonds with polarized water and substrate， which made the substrate more easily bind to the enzyme. VmoLac had a stronger ability to catalyze long-chain lactones than short-chain lactones， and a stronger ability to catalyze long-chain lactones than phosphorus oxides from the perspective of theoretical catalytic mechanism， which provides theoretical proof for the experimental structure.}

Key words: Phosphotriesterase-like lactonases（PLLs）, VmoLac, Autodock, Molecular dynamics simulation

中图分类号:

O641

TrendMD:

李聪聪, 刘明皓, 韩佳睿, 朱镜璇, 韩葳葳, 李婉南. 基于分子动力学模拟的VmoLac非特异性底物催化活性的理论研究. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2518.

LI Congcong, LIU Minghao, HAN Jiarui, ZHU Jingxuan, HAN Weiwei, LI Wannan. Theoretical Study of the Catalytic Activity of VmoLac Non-specific Substrates Based on Molecular Dynamics Simulations. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(8): 2518.

图/表 13

Table 1 Number of water and Na+ for four simulation systems

System	3?Oxo?C10?AHL	3?Oxo?C6?AHL	γ?Nonalacton	Ethyl?paraoxon
Number of water	31252	31291	31244	31274
Number of Na⁺	2	2	2	2

Fig.1 3D structures of 3?oxo?C10?AHL, 3?oxo?C6?AHL, γ?nonalacton and ethyl?paraoxon

Fig.2 Electron orbital and orbital energy difference between HOMO and LUMO orbital for 3?oxo?C10?AHL(A), 3?oxo?C6?AHL(B), γ?nonalacton(C) and ethyl?paraoxon(D)

Fig.3 Overview of VmoLac/3?oxo?C10?AHL(PDBcode: 4RDY)(A) and the surface electrostatic potential of VmoLac(B)

Fig.4 Interaction diagram between 3?oxo?C10?AHL(A), 3?oxo?C6?AHL(B), γ?nonalacton(C), ethyl?paraoxon(D) and VmoLac generated with PLIP

Fig.5 Root?mean?square deviation(RMSD) and standard deviation plot of the repeated simulations for VmoLac/3?oxo?C10?AHL(A), VmoLac/3?oxo?C6?AHL(B), VmoLac/γ?nonalacton(C) and VmoLac/ethyl?paraoxon(D)

Fig.6 Free energy landscape for Rg and RMSD of VmoLac/3?oxo?C10?AHL(A), VmoLac/3?oxo?C6?AHL(B), VmoLac/γ?nonalacton(C) and VmoLac/ethyl?paraoxon(D)

Fig.7 Comparison of the RMSF plots of proteins in VmoLac/3?oxo?C10?AHL and VmoLac/3?oxo?C6?AHL(A) VmoLac/γ?nonalacton and VmoLac/ethyl?paraoxon(B) complexs

Fig.8 Dynamical cross?correlation map for the 100 ns MD simulation trajectories of the VmoLac/3?oxo?C10?AHL(A), VmoLac/3?oxo?C6?AHL(B), VmoLac/γ?nonalacton(C) and VmoLac/ethyl?paraoxon(D) complexes

Fig.9 3D structure of residues W264 and Y230(A) and distance between the Cα of W264 and Y230 for VmoLac/3?oxo?C10?AHL and VmoLac/3?oxo?C6?AHL(B), VmoLac/γ?nonalacton and VmoLac/ethyl?paraoxon(C) during 100 ns MD simulations

Fig.10 3D structures of Y98 and 3?oxo?C10?AHL, 3?oxo?C6?AHL(A), the position of Y98 and γ?nonalacton, ethyl?paraoxon(B), the distance between the Y98 and electrophilic central atom of the substrate for VmoLac/3?oxo?C10?AHL and VmoLac/3?oxo?C6?AHL(C), VmoLac/γ?nonalacton and VmoLac/ethyl?paraoxon(D) during 100 ns MD simulations

Table 2 Hydrogen bond probability between Asp257 and polarized water molecules/ 3?oxo?C10?AHL/3?oxo?C6?AHL

System	Donor	Acceptor	Occupancy%）	System	Donor	Acceptor	Occupancy（%）
VmoLac/3?oxo?C10?AHL	D257∶O	Water∶O	83.21		D257∶CB	3M5∶CA	36.11
	D257∶OD1	Water∶O	95.23	VmoLac/3?oxo?C6?AHL	D257∶O	Water∶O	69.25
	D257∶OD2	Water∶O	96.22		D257∶OD1	Water∶O	79.23
	D257∶OD2	3M5∶N	52.14		D257∶OD2	Water∶O	84.36
	D257∶OD2	3M5∶CA	57.36		D257∶OD2	3M5∶CA	14.22
	D257∶CG	3M5∶N	56.22		D257∶CG	3M5∶N	11.36
	D257∶CG	3M5∶CA	57.25		D257∶CG	3M5∶CA	17.95
	D257∶OD1	3M5∶CA	36.11		D257∶OD1	3M5∶CA	13.69
	D257∶OD1	3M5∶N	41.23		D257∶CB	3M5∶N	14.66
	D257∶CB	3M5∶N	38.25		D257∶CB	3M5∶CA	12.85
	HSE200∶CE1	3M5∶OAM	47.35		D257∶CB	3M5∶CA	13.69
	D257∶CB	3M5∶N	55.36

Table 3 Hydrogen bond probability between Asp257 and polarized water molecules/γ-nonalacton/ethyl-paraoxon

System	Donor	Acceptor	Occupancy（%）
VmoLac/γ?nonalacton	D257∶O	Water∶O	87.24
	D257∶OD1	Water∶O	92.13
	D257∶OD2	Water∶O	90.28
	D257∶OD2	Nonalacton∶N	56.78
	D257∶OD2	Nonalacton∶CA	55.14
	D257∶CG	Nonalacton∶N	52.04
	D257∶CG	Nonalacton∶CA	40.75
	D257∶OD1	Nonalacton∶CA	38.17
	D257∶OD1	Nonalacton∶N	45.36
	D257∶CB	Nonalacton∶N	28.15
	D257∶CB	Nonalacton∶N	59.38
	D257∶CB	Nonalacton∶CA	26.44
VmoLac/ethyl?paraoxon	D257∶O	Water∶O	68.24
	D257∶OD1	Water∶O	89.44
	D257∶OD2	Water∶O	48.72
	D257	Paraoxon	<10

参考文献 28

1	Singh B. K.， Nat. Rev. Microbiol.，2009， 7（2）， 156—164
2	Elias M.， Tawfik D. S.， J. Biol. Chem.， 2012， 287（1）， 11—20
3	Bigley A. N.， Raushel F. M.， Chem. Biol. Interact.，2019，308， 80—88
4	Bigley A. N.， Desormeaux E.， Xiang D. F.， Bae S. Y.， Harvey S. P.， Raushel F. M.， Biochemistry，2019，58（15）， 2039—2053
5	Restaino O. F.， Borzacchiello M. G.， Scognamiglio I.， Fedele L.， Alfano A.， Porzio E.， Manco G.， de Rosa M.， Schiraldi C.， BMC Biotechnol.，2018， 18（1）， 18
6	Rhoads M. K.， Hauk P.， Gupta V.， Bookstaver M. L.， Stephens K.， Payne G. F.， Bentley W. E.， Molecules， 2018， 23（2）， 341
7	Jacquet P.， Hiblot J.， Daudé D.， Bergonzi C.， Gotthard G.， Armstrong N.， Chabrière E.， Elias M.， Sci. Rep.，2017， 7（1）， 16745
8	Ng F. S. W.， Wright D. M.， Seah S. Y. K.， Appl. Environ. Microbiol.，2011， 77（4）， 1181—1186
9	Hiblot J.， Bzdrenga J.， Champion C.， Chabriere E.， Elias M.， Sci. Rep.， 2015， 5， 8372
10	Gumerov V. M.， Mardanov A. V.， Beletsky A. V.， Prokofeva M. I.， Skryabin K. G.， J. Bacteriol.，2011， 193（9）， 2355—2356
11	Hiblot J.， Gotthard G.， Champion C.， Chabriere E.， Elias M.， Acta Crystallogr. Sect. F. Struct. Biol. Cryst. Commun.，2013，69（11）， 1235—1238
12	Kallnik V.， Bunescu A.， Sayer C.， Brasen C.， Wohlgemuth R.， Littlechild J.， Siebers B.， J. Bacteriol.，2014，190， 11—17
13	Vieille C.， Zeikus G. J.， Microbiol. Mol. Biol. Rev.，2001， 65， 1—43
14	Frisch M. J.， Trucks G. W.， Schlegel H. B.， Scuseria G. E.， Robb M. A.， Cheeseman J. R.， Scalmani G.， Barone V.， Mennucci B.， Petersson G. A.， Nakatsuji H.， Caricato M.， Li X.， Hratchian H.， Izmaylov A.， Bloino J.， Zheng G.， Sonnenberg J.， Hada M.， Ehara M.， Toyota K.， Fukuda R.， Hasegawa J.， Ishida M.， Nakajima T.， Honda Y.， Kitao O.， Nakai H.， Vreven T.， Montgomery J. Jr.， Peralta J.， Ogliaro F.， Bearpark M.， Heyd J.， Brother E.， Kudin K.， Staroverov V.， Kobayashi R.， Normand J.， Raghavachari K.， Rendell A.， Burant J.， Iyengar S.， Tomasi J.， Cossi M.， Rega N.， Millam J.， Klene M.， Knox J.， Cross J.， Bakken V.， Adamo C.， Jaramillo J.， Gomperts R.， Statmann R.， Yazyev O.， Austin A.， Cammi R.， Pomelli C.， Ochterski J.， Martin R.， Morokuma K.， Zakrzewski V.， Voth G.， Salvador P.， Dannenberg J.， Dapprich S.， Daniels A.， Farkas Ö.， Foresman J.， Ortiz J.， Cioslowski J.， Fox D.， Gaussian 09， Revision D. 01， Gaussian Inc.， Wallingford CT， 2009
15	Lu T.， Chen F.， J. Comput. Chem.， 2012， 33（5）， 580—592
16	Norgan A. P.， Coffman P. K.， Kocher J. P. A.， Katzmann D. J.， Sosa C. P.， J. Cheminform.， 2011， 3（1）， 12—20
17	Hou X.， Du J.， Zhang J.， Du L.， Fang H.， Li M.， J. Chem. Inf. Model.， 2013， 53（1）， 188—200
18	Van der Spoel D.， Lindahl E.， Hess B.， Groenhof G.， Mark A. E.， Berendsen H. J. C.， J. Comput. Chem.， 2005， 26（16）， 1701—1718
19	Hess B.， Kutzner C.， Dan Der Spoel D.， Lindahl E.， J. Chem. Theory. Comput.， 2008， 4（3）， 435—447
20	Wickstrom L.， Okur A.， Simmerling C.， Biophys J.， 2009， 97（3）， 853—856
21	Wang J.， Wolf R. M.， Caldwell J. W.， Kollman P. A.， Case D. A.， J. Comput. Chem.， 2004， 25（9）， 1157—1174
22	Sousa da Silva A. W.， Vranken W. F.， BMC Res. Notes， 2012， 5（1）， 367—374
23	Mark P.， Nilsson L.， J. Phys. Chem. A， 2001， 105（43）， 9954—9960
24	Darden T.， York D.， Pedersen L.， J. Chem. Phys.， 1993， 98（12）， 10089—10092
25	Grant B. J.， Rodrigues A. P. C.， Elsawy K. M.， Mccammon J. A.， Caves L. S. D.， Bioinformatics， 2006， 22（21）， 2695—2696
26	Skjærven L.， Yao X. Q.， Scarabelli G.， Grant B. J.， BMC Bioinf.， 2014， 15（1）， 399—409
27	Hunenberger P. H.， Mark A. E.， van Gunsteren W. F.， J. Mol. Biol.，1995， 263（2）， 120—122
28	Sebastian S.， Sven S.， Joachim H. V.， Adasme M. F.， Michael S.， Nucl. Acids Res.，2015，43（W1）， 443—447

[1]	高志伟, 李军委, 史赛, 付强, 贾钧儒, 安海龙. 基于分子动力学模拟的TRPM8通道门控特性分析[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(6): 20220080.
[2]	胡波, 朱昊辰. 双层氧化石墨烯纳米体系中受限水的介电常数[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(2): 20210614.
[3]	雷晓彤, 金怡卿, 孟烜宇. 基于分子模拟方法预测PIP₂在双孔钾通道TREK-1上结合位点的研究[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2550.
[4]	曾永辉, 言天英. 质子水合结构的振动态密度分析[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 1855.
[5]	刘爱清, 徐文生, 徐晓雷, 陈继忠, 安立佳. 高分子/棒状纳米粒子复合物的分子动力学模拟[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(3): 875.
[6]	齐人睿, 李明昊, 常浩, 付学奇, 高波, 韩葳葳, 韩璐, 李婉南. 基于拉伸分子动力学模拟的黄嘌呤氧化酶抑制剂解离途径的理论研究[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(3): 758.
[7]	帅蝶, 赵美娟, 陈丙年, 王力. 4种Keggin型磷钼酸盐对蘑菇酪氨酸酶活性和黑色素生成的抑制及抗氧化作用[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(12): 3579.
[8]	杨举, 苏丽娇, 李灿花, 鲁佳佳, 杨俊丽, 古捷, 杨丽, 杨丽娟. 甘松新酮/磷酸盐柱[6]芳烃主客体络合行为[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(10): 3099.
[9]	张爱芹, 王嫚, 申刚义, 金军. 多溴联苯醚与人血清白蛋白相互作用的表面等离子体共振及分子对接[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(9): 2054.
[10]	王莲萍,李庆杰,刘晓艳,任跃英,杨秀伟. 基于UFLC-MS/分子模拟计算的吴茱萸醇提取物中胆碱酯酶抑制剂筛选[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(1): 111.
[11]	瞿思颖, 徐沁. 凝血因子Xa的S4口袋部分关键残基对利伐沙班结合的不同作用机制[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(9): 1918.
[12]	王晓霞, 马力通, 聂智华, 王正德, 崔金龙, 赵文渊, 赛华征. 多光谱法和分子对接模拟法研究黄腐酸与胃蛋白酶的相互作用[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(9): 1840.
[13]	马玉聪, 樊保民, 王满曼, 杨彪, 郝华, 孙辉, 张慧娟. 曲唑酮的两步法制备及对碳钢的缓蚀机理[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(8): 1706.
[14]	孙浩帆, 张凌怡, PATRICKNorman, 张维冰. 二芳基乙烯衍生物与DNA结合的分子动力学研究[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(6): 1229.
[15]	张璋, 王栋, 王晓雷, 徐岩. 华根霉脂肪酶有机相酯合成活性的重塑[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(4): 747.