基于分子對接研究甜菊醇、異甜菊醇對赤霉素受體GID1的作用機制

張 軍，王 杭，于寧康，張 珂，韓文龍

(鄭州工程技術學院 化工食品學院，河南 鄭州 450044)

赤霉素(gibberellins，GAs)是雙萜類植物激素，是植物生長過程中必需的生長激素之一[1-2]，對植物從種子萌發到開花結果整個生長過程都擔負著重要作用[3]。1938年，日本植物學家藪田首次發現赤霉素，至今已經分離確定了130多種，其中赤霉素GA3因其分布最廣、活性最強，成為研究熱點[4]。

隨著“有機農業”的到來，人們對健康越來越關注。根據發酵工業網報道，全球赤霉素產量2016年達到480.9噸，年平均增長率為4.62%[5]。人工合成赤霉素在工農業生產中被大量使用，所產生的安全問題也越來越引起人們的重視。EL-MOFTY等[6]研究發現，赤霉素對小鼠腫瘤誘發率為18%(雄)和36%(雌)，飼喂14個月小鼠肺中發現支氣管肉芽腫；許春爽[7]研究顯示，赤霉素暴露可增加精子凋亡。因此，開發安全、對人類健康無任何毒副作用的赤霉素替代物成為重要的課題[8]。

甜菊醇、異甜菊醇來自甜菊糖(stevioside)的雙萜貝殼杉烯母環。由于甜菊糖高甜、低熱，安全性好，被稱為世界第三種天然糖源[9]，FDA等批準其作為飲食補充劑使用。甜菊糖(Stevioside)經酶解或使用高碘酸鈉和大量強堿處理可以得到甜菊醇(steviol)，甜菊醇在酸性條件下發生wagner-meerwein分子重排，生成異甜菊醇(isosteviol)，異甜菊醇也可以由甜菊糖經稀硫酸直接水解得到。甜菊醇與異甜菊醇互為同分異構體[10]，分子式為C20H30O3。OGORODNOVA等[11]發現甜菊醇、異甜菊醇可以刺激小麥生長，增強低溫抗性；張亮等[12]研究發現，經異甜菊醇浸種處理的油菜種子發芽率、幼苗根長、葉綠素含量等明顯提高；劉秀芳等[13]指出，甜菊醇、異甜菊醇促進水稻種子發芽活性優于赤霉素作用，但是沒有對刺激生長信號機理進一步探討。隨著計算機技術的快速發展，研究配體-受體構效關系的建模技術已廣泛應用于植物生理學、食品營養、制藥等方面[14]。近二十年來對GAs作用機制的研究，揭示了GAs信號轉導機制依賴于GID1蛋白的配體結合，進而發揮作用[15-17]。因此，本研究采用分子對接技術，以GAs受體蛋白GID1為靶點，以GA3為對照物，分析甜菊醇、異甜菊醇對赤霉素結合受體GID1蛋白[18-20]相互作用模式和機理，探討對接結合自由能與活性相關性，為進一步開發赤霉素的安全替代物提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

AutoDock Vina分子對接軟件[21]；AutoDock Tools 1.5.6蛋白對接軟件，從美國斯克利普斯研究所官網(http://autodock.scripps.edu)下載；PyMol視圖處理軟件；LigPlot疏水性分析軟件。

1.1.1 小分子配體準備

從zinc小分子數據庫(https://zinc.docking.org/)中搜索赤霉素GA3(ZINC3860467)、甜菊醇(ZINC6491272)和異甜菊醇(ZINC4044743)分子3D結構(見圖1)，保存為mol2格式文件。

圖1 (a)赤霉素GA3，(b)甜菊醇和(c)異甜菊醇分子結構

1.1.2 受體蛋白準備

從PDB數據庫(http://www.rcsb.org/)下載赤霉素受體GID1蛋白晶體結構，保存為PDB格式。GID1蛋白有351個氨基酸，來自于模式植物擬南芥。GID1受體蛋白三維結構見圖2。

圖2 GID1三維結構

1.2 方法

1.2.1 配體預處理

對赤霉素GA3、甜菊醇和異甜菊醇小分子進行質子化、計算電荷等處理，并檢測出小分子可旋轉鍵(見圖3)。

圖3 (a)赤霉素GA3，(b)甜菊醇和(c)異甜菊醇小分子可旋轉鍵

1.2.2 受體預處理

用AutoDock Tools軟件在PMV導入GID1受體蛋白，打開GID1分子，確認其加氫、電荷計算、質子化狀態，進行可旋轉鍵的搜尋與定義，并保存為pdbqt文件。

1.3 對接

根據赤霉素與GID1結合位點，設置對接參數：

receptor = D:AutoDockprotein.pdbqt(受體蛋白文件位置)-> ligand = D:AutoDockligand.pdbqt(赤霉素分子文件位置)->out = all.pdbqt(輸出格式為pdbqt)->center_x = 52.855 center_y = 58.616 center_z = 39.571(設置對接中心坐標)->size_x = 20 size_y = 20 size_z = 20(設置對接區域)->energy_range = 4(運算結果最大結合能之差)->exhaustiveness = 15(運算精度)->num_modes = 10(顯示結果數)，保存為config.txt，之后運用程序語(“D:AutoDockGID1vina.exe” --receptor protein.pdbqt --ligand ligand.pdbqt --config config.txt --log log.txt --out out.pdbqt)進行對接。

2 結果與分析

2.1 對照物GA3與GID1配體蛋白的對接驗證

利用分子對接軟件AutoDock Vina構建對照物GA3與GID1酶的對接模型，確定并驗證該條件的準確性。圖4展示了對照物GA3與GID1酶的對接模式和氫鍵相互作用。

(A1)GA3與GID1蛋白結合區，(A2)GA3與GID1蛋白口袋 ，(A3)GA3與GID1蛋白相互作用圖4 GA3與GID1的分子對接效果圖

對照物GA3與GID1的分子對接用AutoDock分子對接軟件，對接結合能最小為 -11.10 kcal/mol， 其均方根偏差refRMS值為1.36，一般refRMS值小于2就可認為小分子與蛋白質受體是有效對接[22]。由圖4可見，對照物GA3與GID1酶能很好地結合，說明參數設置合適。把對接結果用可視化軟件PyMol進行分析，結果顯示配體作用位點具體為：ILE2-4，PHE-27，LYS-28，TYR-31，ARG-35，GLY-114，GLY-115，SER-116，ILE-126，TYR-127，ASP-190，SER-191，PHE-238，VAL-239，THR-240，ASP-243，ARG-244，TYR-247，VAL-319，GLY-320，TYR-322和LEU-323，其中與SER-116，TYR-127，SER-191和PHE-238作用位點形成氫鍵作用。由此可見，對照物GA3與GID1的主要作用力是范德華力和氫鍵作用。

2.2 甜菊醇、異甜菊醇與GID1配體蛋白的對接結果

為了進一步確定甜菊醇、異甜菊醇與GID1蛋白受體的結合情況，分析甜菊醇、異甜菊醇與GID1蛋白配體結合的本質，分別進行分子對接分析。經AutoDock Vina運算分析，采用半柔性對接方法，選擇結合自由能最低的構象進行后續分析，得到甜菊醇、異甜菊醇與GID1蛋白受體的最佳復合結果。

圖5為甜菊醇與GID1蛋白受體對接結果，表明其結合位點的位置。B1可看到結合位點區域，B2半透明區域表明甜菊醇進入GID1蛋白受體內部活性口袋，B3表示甜菊醇與GID1蛋白受體殘基的相互作用。由圖5甜菊醇與GID1蛋白受體對接結果，發現蛋白活性中心點氨基酸殘基中，ILE-24，PHE-27，PHE-28，TYR-31，ARG-35，GLY-114，GLY-115，SER-116，TYR-127，SER-191，PHE-238，VAL-239，THR-240，ASP-243，ARG-244，TYR-247，VAL-319，GLY-320，TYR-322和LEU-323氨基酸殘基最容易與甜菊醇配體相互作用，其中與蛋白受體PHE-238形成氫鍵。這些位于GID1蛋白受體的功能域內氨基酸均與甜菊醇相互作用形成氫鍵、范德華力等作用力，對接結合能最小為 -10.81 kcal/mol，對于GID1蛋白受體的抑制活性有著重要的作用。

(B1)Steviol與GID1蛋白結合區，(B2)Steviol與GID1蛋白口袋，(B3)Steviol與GID1蛋白相互作用圖5 甜菊醇與GID1的分子對接效果圖

由圖6異甜菊醇與GID1蛋白受體對接效果圖發現，異甜菊醇能與GID1蛋白受體結合，并可以進入GID1蛋白受體蛋白內部，與溶劑等形成活性包裹口袋，能與GID1蛋白受體氨基酸形成氫鍵。圖6中C2表明異甜菊醇與GID1蛋白受體活性中心點ILE-24，PHE-27，LYS-28，TYR-31，ARG-35，GLY-114，GLY-115，SER-116，TYR-127，SER-191，PHE-238，VAL-239，THR-240，ASP-243，ARG-244，TYR-247，VAL-319，GLY-320，TYR-322和LEU-323氨基酸殘基相互作用，其中與蛋白受體ARG-35，GLY-115，TYR-127和SER-191形成氫鍵，這些氨基酸殘基均與異甜菊醇相互作用，形成氫鍵、范德華力等作用力，對接結合能最小為 -11.26 kcal/mol。在分子對接中，配體構象的結合自由能越低，構象越穩定，與蛋白質受體結合的親和力就越強，對蛋白質受體可能具有的抑制活性越強[23]。說明異甜菊醇對GID1蛋白的活性抑制超過了GA3的活性，與劉秀芳等[13]研究結果一致。

(C1)Isosteviol與GID1蛋白結合區 ，(C2)Isosteviol與GID1蛋白口袋 ，(C3)Isosteviol與GID1蛋白相互作用圖6 異甜菊醇與GID1的分子對接效果圖

3 結論

植物化學“生源的異戊二烯法則”研究表明，赤霉素和甜菊糖都來自于同一代謝通路[24]，二者結構相似，都屬于萜類。甜菊醇與異甜菊醇是也是甜葉菊糖在動物腸道中自然代謝產物[25]，其安全性已被人們廣泛接受和了解，但其在植物赤霉素作用靶點GID1蛋白的作用機理方面目前尚不明確。本研究以GA3為對照物，以甜菊醇、異甜菊醇與GID1的相互作用為研究對象，分析其作為安全的植物生長調節劑的可能性。

AutoDock Vina分子對接結果表明，赤霉素、甜菊醇和異甜菊醇與赤霉素受體GID1蛋白的相互作用主要是形成氫鍵作用、范德華力等，主要作用基團為羥基，結合自由能分別為-11.10 kcal/mol，-10.81 kcal/mol和-11.26 kcal/mol，說明甜菊醇和異甜菊醇兩種小分子都能與赤霉素受體GID1蛋白形成穩定結合，且異甜菊醇的作用效果強于赤霉素GA3。分子對接技術依賴于信息科學技術的發展，對接結果可能有偏差或者假陽性[26]，結果僅作為參考，是否真正有效還需通過后續實際驗證。