对高硫酸盐含量的Infernan进行建模

《Carbon Capture Science & Technology》：Modeling highly sulfated Infernan

硫酸化多糖Inf_HS的分子结构及极化效应研究：通过分子动力学模拟发现，随着重复单元增加，分子内相互作用增强并伴随结构折叠，高硫酸化导致分子极化显著，其生物活性与结构特征密切相关，为理解GAG模拟物作用机制提供新依据。

　　

Jacob A. Clark | Agata Zykwinska | Sylvia Colliec-Jouault | Sergey A. Samsonov

格但斯克大学化学系，Wita Stwosza 63号，格但斯克，80-308，波兰

摘要

硫酸化糖胺聚糖（GAGs）是一类线性且带有高度负电荷的多糖，它们在组织结构和生理功能中扮演着多种角色。人们对糖胺聚糖及其具有仿生特性的分子的兴趣促使人们发现了许多外多糖（EPS），例如高度硫酸化的infernan（Inf_HS）。了解这些分子的生物活性依赖于其结构特征。在这里，我们构建并模拟了Inf_HS的模型，旨在表征其分子性质。随着模型中重复单元的增加，我们观察到分子内相互作用增强，同时结构也发生了折叠。与线性硫酸化糖胺聚糖相比，其分支结构和高硫酸化程度导致分子周围的极化作用更加明显。这些发现展示了Inf_HS的独特性质，并为其生物活性的理解提供了依据。

引言

硫酸化糖胺聚糖，如肝素硫酸盐、软骨素硫酸盐和角质素硫酸盐，是一类线性且带有高度负电荷的多糖，存在于细胞表面和细胞外基质中。由于GAGs在组织结构完整性和机械性能以及通过结合各种信号蛋白（生长因子、细胞因子、趋化因子）和酶参与生物（病理）生理过程中的作用，人们对它们的理解不断深入，这促进了GAG类似物的开发[1]、[2]、[3]。细菌可以通过发酵合成外多糖（EPS），这是一种可再生且可重复生产出结构明确的多糖[4]。海洋生态系统，特别是极端栖息地（如深海热液喷口），因其结构中含有尿酸残基和硫酸基团而被报道为具有GAG类似特性的创新细菌EPS的来源[5]、[6]。已经分离并研究了多种产生EPS的菌株，从而发现了具有宝贵生物活性的新型大分子。例如，Alteromonas infernus（GY785菌株）是一种来自加利福尼亚湾瓜伊马斯盆地的深海热液喷口细菌，它产生的EPS具有高度分支、高分子量（HMW，> 2,000 kDa）和低硫酸化程度（3% S，w/w），被称为infernan[7]、[8]。在我们之前的研究中，已经证明这种天然高分子量多糖在体外和体内环境中都具有GAG类似特性，尤其是在软骨再生过程中[9]、[10]。通过两步化学修饰（包括自由基解聚和硫酸化反应）降低infernan的分子量（Mw）和增加硫酸含量，可以显著增强其生物活性[11]、[12]。事实上，低分子量（LMW）和高硫酸化的infernan衍生物（Mw在20,000至30,000 g/mol之间，硫含量在12%至14% S（w/w之间）已被证明能够诱导组织所需的细胞过程[13]、[14]。它们的活性与其结合正电荷生长因子（如TGF-β1和BMP-2）的能力相关，这些生长因子参与调节多种生物过程，如细胞粘附、增殖、迁移和分化。在病理过程中（例如癌症），已报道Inf_15-HS（15 kDa和15% S，w/w）具有抗转移特性[15]。尽管在体内实验中未观察到其对原发性骨肉瘤生长的影响，但infernan衍生物显著抑制了接受鼠骨肉瘤细胞的小鼠模型中的肺转移形成。相反，infernan衍生物Inf_60-HS（60 kDa和12% S，w/w）的分子量增加了四倍，在体外实验中对人类骨肉瘤和非小细胞肺癌细胞的存活率和增殖具有剂量依赖性的抑制作用。此外，在具有免疫缺陷的小鼠模型中观察到肺肿瘤生长进展的减缓。在携带人类肺癌的免疫缺陷小鼠中，该衍生物显示出与抗癌药物多柔比星相当的抑制效果[16]。Inf_HS的抗肿瘤作用可能是通过抑制肝素酶活性来实现的，从而防止肝素硫酸盐的降解，维持微环境的完整性。最近的研究表明，Inf_8-HS（8 kDa和45% S，w/w）在黏多糖贮积症IIIA细胞系模型中能够抑制肝素酶[17]。

糖胺聚糖或GAG类似物与蛋白质之间的结合需要特定的结构特征，如硫酸化模式、构象灵活性和链长，这些特征对其亲和力至关重要。因此，为了进一步了解Inf_HS的GAG类似特性及其结合不同蛋白质和酶的能力，从而影响这些蛋白质和酶的活性，我们利用分子动力学（MD）模拟确定了这种高度硫酸化衍生物的分子构象和电荷密度。

结构与参数化

初始单体单元是根据先前实验工作中合成的低分子量infernan外多糖的信息构建的。NMR实验提供了包括净硫酸化程度在内的结构细节。本研究中用于构建原子模型的关键信息是基于NMR提出的结构，以及分子的硫含量，这些信息有助于确定结构的硫酸化程度。

来自MD模拟的全局性质

从生产MD模拟的起点开始测量的RMSD（表1）在二聚体和三聚体Inf_HS中更高，这可能是由于延长Inf_HS链后构象多样性和亚基间相互作用增加的结果。

二聚体和三聚体的回转半径和端到端距离也大于单体。将单体延长为二聚体时，RMSD和Radgyr的增加幅度比单体延长为二聚体时更大。

结论

本研究扩展了先前的实验工作，证明了像infernan这样的分子的GAG类似特性，并提出了这些分子可能的功能机制。确定硫酸化在分子结合活性中的作用以及量化硫含量为建模和深入理解infernan的性质及其与（病理）生理相关目标的结合提供了基础。Inf_HS的建模展示了其全局性质...

CRediT作者贡献声明

Jacob A. Clark：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，软件，方法学，研究，形式分析，数据管理，概念化。 Agata Zykwinska：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，概念化。 Sergey A. Samsonov：撰写 – 审稿与编辑，监督，软件，资金获取，概念化。 Sylvia Colliec-Jouault：概念化。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

资金来源

本研究由波兰国家科学中心资助，资助编号为UMO-2023/49/B/ST4/00041。

致谢

我们感谢Cezary Czaplewski教授提供的技术支持，使我们能够在当地的“piasek”集群上进行模拟。