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预测糖胺聚糖表面蛋白相互作用及其对研究轴突生长的意义。

Predicting glycosaminoglycan surface protein interactions and implications for studying axonal growth.

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Materials and Process Simulation Center, California Institute of Technology, Pasadena, CA 91125.

Division of Chemistry and Chemical Engineering, California Institute of Technology, Pasadena, CA 91125.

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Proc Natl Acad Sci U S A. 2017 Dec 26;114(52):13697-13702. doi: 10.1073/pnas.1715093115. Epub 2017 Dec 11.

Abstract

Cell-surface carbohydrates play important roles in numerous biological processes through their interactions with various protein-binding partners. These interactions are made possible by the vast structural diversity of carbohydrates and the diverse array of carbohydrate presentations on the cell surface. Among the most complex and important carbohydrates are glycosaminoglycans (GAGs), which display varied stereochemistry, chain lengths, and patterns of sulfation. GAG-protein interactions participate in neuronal development, angiogenesis, spinal cord injury, viral invasion, and immune response. Unfortunately, little structural information is available for these complexes; indeed, for the highly sulfated chondroitin sulfate motifs, CS-E and CS-D, there are no structural data. We describe here the development and validation of the GAG-Dock computational method to predict accurately the binding poses of protein-bound GAGs. We validate that GAG-Dock reproduces accurately (<1-Å rmsd) the crystal structure poses for four known heparin-protein structures. Further, we predict the pose of heparin and chondroitin sulfate derivatives bound to the axon guidance proteins, protein tyrosine phosphatase σ (RPTPσ), and Nogo receptors 1-3 (NgR1-3). Such predictions should be useful in understanding and interpreting the role of GAGs in neural development and axonal regeneration after CNS injury.

摘要

细胞表面碳水化合物通过与各种蛋白质结合伙伴的相互作用,在许多生物过程中发挥重要作用。这些相互作用是由于碳水化合物的巨大结构多样性和细胞表面碳水化合物的不同呈现方式所实现的。在最复杂和最重要的碳水化合物中,有糖胺聚糖 (GAGs),它们表现出不同的立体化学、链长和硫酸化模式。GAG-蛋白相互作用参与神经元发育、血管生成、脊髓损伤、病毒入侵和免疫反应。不幸的是,这些复合物的结构信息很少;实际上,对于高度硫酸化的软骨素硫酸盐基序 CS-E 和 CS-D,没有结构数据。我们在这里描述了 GAG-Dock 计算方法的开发和验证,以准确预测结合蛋白的 GAG 的结合构象。我们验证了 GAG-Dock 能够准确地重现(<1-Å rmsd)四个已知肝素-蛋白结构的晶体结构构象。此外,我们预测了肝素和软骨素硫酸盐衍生物与轴突导向蛋白、蛋白酪氨酸磷酸酶 σ (RPTPσ) 和神经节苷脂受体 1-3 (NgR1-3) 结合的构象。这些预测应该有助于理解和解释 GAGs 在神经发育和中枢神经系统损伤后轴突再生中的作用。

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