基于分子动力学模拟的潜在识别区域下Dectin-1对磷酸化 β-(1→3)-D-葡聚糖的识别机制

doi:10.7503/cjcu20250401

摘要/Abstract

摘要：

结合分子对接与分子动力学(MD)模拟方法, 探究了磷酸化三螺旋线性β-(1→3)-葡聚糖(TH-CP)与树突状细胞相关C型凝集素-1(Dectin-1)之间的相互作用机制. 研究结果表明, O₆及O_4,6位点的磷酸化修饰在Dectin-1表面引入了稳定的潜在结合位点, 使TH-CP能够与Dectin-1形成热力学上有利且结构稳定的复合物. 在潜在位点的3种识别方式中, 呈表位识别模式的复合物表现出显著的结合优势. 这主要源于表位识别构型下, TH-CP能够与潜在位点周围更多的氨基酸残基发生协同作用, 从而获得更强的范德华相互作用和静电相互作用. 此外, 磷酸基团中多个羟基可作为灵活的氢键供体和受体, 构建区别于经典位点的新型氢键网络, 使潜在位点介导的识别能力与未修饰β-(1→3)-葡聚糖在经典结合位点的识别能力相当.

关键词: β-(1→3)-葡聚糖, 磷酸化, 树突状细胞相关C型凝集素-1, 识别机制, 分子动力学模拟

Abstract:

Molecular docking combined with molecular dynamics（MD） simulations was employed to investigate the interaction mechanisms between phosphorylated triple-helical linear β-（1→3）-glucan（TH-CP） and dendritic cell- associated C-type lectin-1（Dectin-1）. The results demonstrate that phosphorylation at the O₆ and O_4，6 positions introduces stable potential binding sites on the surface of Dectin-1， enabling TH-CP to form thermodynamically favorable and structurally stable complexes with the receptor. Among the three recognition modes identified at the potential binding site， complexes adopting an epitope recognition pattern exhibit a pronounced binding advantage. This behavior mainly arises from the cooperative interactions between TH-CP and a larger number of surrounding amino acid residues at the potential site， leading to enhanced van der Waals and electrostatic interactions. In addition， multiple hydroxyl groups within the phosphate moieties can act as flexible hydrogen bond donors and acceptors， giving rise to a novel hydrogen-bonding network distinct from that at the classical binding site. As a result， the recognition capability mediated by the potential binding site is comparable to that of unmodified β-（1→3）-glucan interacting with Dectin-1 at the classical binding site.

Key words: β-（1→3）-Glucan, Phosphorylation, Dendritic cell-associated C-type lectin-1, Recognition mode, Molecular dynamic simulation

中图分类号:

O636

TrendMD:

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图/表 7

Fig.1 The main discussion focuses on CP and its complex structure（A） Chemical structures showing phosphorylation substitution at the O4， O6 and O4，6 sites；（B） triple helical β-（1→3）-glucan structure with 12 glucose units per chain； oxygen atoms are shown in red and phosphorus atoms in purple； hydrogen atoms are removed for clarity；（C） complexes with three different binding modes， where R denotes the reducing end； molecular models are visualized using the molecular graphics software VMD［42］.

Fig.2 RMSDs of CP⁃1 substituted with O6 and Dectin⁃1 and their corresponding complex(Complex⁃1, A), CP⁃2 substituted with O4,6 and Dectin⁃1 and their corresponding complex(Complex⁃2, B), and CP⁃3 substituted with O4,6 and Dectin⁃1 and their corresponding complex(Complex⁃3, C)The insets show the representative structural snapshots of the complexes at different simulation times.

Table 1 Predicted binding energies and individual energy components of the Dectin-1 complexes with CP and TH-bglc

Gmx_mmpbsa	ΔE_vdW/（kJ·mol^-1）	ΔE_elec/（kJ·mol^-1）	ΔG_polar/（kJ·mol^-1）	ΔG_nonpolar/（kJ·mol^-1）	ΔG_bind/（kJ·mol^-1）
TH⁃bglc	-231.681	-278.322	418.977	-37.510	-128.535
Complex⁃1	-265.140	-363.046	538.899	-38.367	-127.654
Complex⁃2	-231.166	-175.561	343.339	-32.928	-96.316
Complex⁃3	-194.263	-239.492	362.502	-24.811	-96.106

Fig.3 Residue binding energy analysis（A1—A3） Contributions of key amino acid residues in Dectin-1 to the total binding energy of the Dectin-1-CP-1（A1）， Dectin-1-CP-2（A2）， Dectin-1-CP-3（A3） complexes；（B1—B3） contributions of key amino acid residues in Dectin-1 to individual energy components（van der Waals， electrostatic， polar solvation， and non-polar solvation） in the Dectin-1-CP-1（B1）， Dectin-1-CP-2（B2）， Dectin-1-CP-3（B3） complexes；（C1—C3） energy decomposition profiles of the three chains（Chain A， Chain B and Chain C） in the Dectin-1-CP-1（C1）， Dectin-1-CP-2（C2）， Dectin-1-CP-3（C3） complexes（each panel shows the contributions of the three chains within one CP model）；（D） schematic illustration of the recognition site region of Dectin-1 and the epitope recognition patterns of TH-CP samples with different substitutions patterns； the left panel shows the key residues forming the recognition region of Dectin-1 （top and side views）； the right panels represent CP-1， CP-2， and CP-3 from left to right； the three chains of the triple helix are shown in different colors， highlighting the glucose units involved in epitope recognition from each individual chain.

Table 2 Hydrogen bond occupancies(>10%) between Dectin-1 and the O6 substitution CP-1 complex

Dectin⁃1 residue	TH⁃CP chemical group^*	Occupancy（%）	Dectin⁃1 residue	TH⁃CP chemical group^*	Occupancy（%）
Tyr141	C₅PO₆₃	14.9	Asn185（O）	B₄HPO₆₁	30.3
Lys144（HZ1）	A₆PO₆₃	82.1	Glu194（O）	B₉HPO₆₁	54.7
Lys144（HZ1）	B₉PO₆₃	37.8	Glu194（OE1）	B₉HPO₆₂	16.9
Arg145	C₄PO₆₃	44.3	Asp195（O）	B₁₀HPO₆₂	47.3
Asn185（HD21）	B₄O₄	86.1	Asp195（O）	A₆HO₄	33.3
Asn185（HD21）	C₅O₆	79.6	Asp195（O）	B₁₀HPO₆₁	24.4
Asn185（O）	B₄HPO₆₂	51.2

Fig.4 Schematic representation of the major hydrogen bonds formed between Dectin⁃1 and CP⁃1The portions of two characteristic hydrogen-bonding networks. Hydrogen bonds between Dectin-1 and CP-1 are indicated by red dashed lines. （A） Hydrogen-bonding network involving Lys144 and Glu194 residues of Dectin-1 with CP-1；（B） hydrogen-bonding network involving the Asn195 residue of Dectin-1 with CP-1. Hydrogen bonds are indicated by dashed lines.

Fig.5 Structural analysis of CP⁃1 and its Dectin⁃1（A） Secondary structure（DSSP） of the Dectin-1 protein under O6 substitution；（B） root mean square fluctuation（RMSF） profiles of Dectin-1 residues in four systems： TH-bglc， CP-1， CP-2， and CP-3； residues 175—177， 209—211， and 221， 223， and 228 are highlighted by dashed lines；（C1—C3） distributions of glycosidic bond dihedral angles（φ and ψ） for each chain in the triple-helical conformation of CP-1； the panels correspond to Chain A（C1）， Chain B（C2）， and Chain C（C3）， respectively， ψ1—ψ11 denote the glycosidic dihedral angles between adjacent glucose units along each chain；（D1—D3） fluctuations of the θ ring puckering parameter for each chain in CP-1， the panels correspond to Chain A（D1）， Chain B（D2）， and Chain C（D3）， respectively， θ1—θ12 represent the ring puckering parameters of individual glucose residues， calculated based on the O5-C1-C2-C3-C4-C5 atom sequence.

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