甘露糖 - 凝集素复合物的晶体结构

分析了与α-D-甘露糖（1）或甲基α-D-吡喃甘露糖苷（2）复合的六种甘露糖结合受体的X射线结构（图1和表1，A - C和G - I） 。因为DC-SIGNR（图1，D）和DC-SIGN（图1，E）既不与1也不是2复合我们可以根据可用的低聚甘露糖晶体结构（PDB代码：1K9J和1SL4）模拟单糖 - 受体相互作用。此外，由于人类MBP的可用晶体结构均未达到低于2Å的分辨率阈值，因此我们使用基于来自褐家鼠的同源MBP凝集素结构域的结构，并因此比较了测量的大鼠MBP的结合亲和力（图1），F）。最后，一个特例是细菌粘附素FimH，它可以采用三种不同的亲和状态（见下文）。对于我们的讨论，我们特别关注FimH的分离凝集素结构域中存在的FimH的高亲和力状态，称为FimH LD（图1，我）。

虽然受体A - F在人体免疫反应中起重要作用，但它们对α-D-甘露糖（1）和甲基α-D-甘露吡喃糖苷（2）仅在毫摩尔范围内（9.4-1.3mM）表现出亲和力[40- 44]。相反，细菌来源的受体G和H对甲基α-D-甘露糖（2）的微摩尔范围（分别为71和2.8μM）显示出亲和力[31,45]。尽管71μM亲和力，LecB（G）优选结合L-岩藻糖（3μM）和甲基α-L-岩藻糖苷（0.4μM）[45]。对岩藻糖苷的增强亲和力来自C5-甲基，1和2均不存在，可与Thr45形成疏水接触[45]。

分析的CLEC A - F具有共同的结合基序，钙离子与甘露糖配体的O-C3和O-C4配位[5,7]。在结合位点携带第二钙离子（G和H）的情况下，也可发生O-C2和O-C3之间的有利相互作用。来自掩埋结合袋中形成的H键的额外贡献进一步改善了亲和力。相比之下，细菌凝集素FimH（I）的无钙埋藏结合位点与配体2形成八个氢键的复杂网络，其中一个由保守水介导[37]。

实现结合亲和力的各种方法

甘露糖结合受体之间结合亲和力的巨大变化是显着的，尽管并不令人惊讶。虽然参与人体免疫系统的CRD（表1，A - F）识别更广泛的结合伴侣（即各种致病性寡糖），但细菌CRD G - I努力与宿主聚糖紧密结合以提高其存活机会。为了实现这些增强的亲和力，病原体应用多种策略，例如具有最小溶剂暴露表面积的结合位点，增加的配体相互作用数，“共享的”去溶剂化成本和多价性。

结合位点的溶剂暴露程度（图2）。由于H键的静电特性，介电常数ε在碳水化合物 - 凝集素相互作用中变得尤为重要。在结合位点的埋藏空腔中，与蛋白质表面（ε≈20）或大量水（ε≈80）相比，ε较低（ε≈5-10），使得H-键在热力学上的价值高达10倍。埋葬洞[49]。这与至少与蛋白质腔结合的大多数市售药物相比，至少部分地解释了与溶剂暴露的蛋白质表面结合的碳水化合物的通常较弱的相互作用。另外，埋藏的和溶剂较少的暴露配体显示出较慢的交换速率，其特征在于高能过渡态。这可以通过配体置换所需的逐步解离和随后的再水合来解释（插图，图2B），这是由于埋藏的结合位点的固有屏蔽性质。相反，在协同的双分子过程中，溶剂暴露的H键可以更容易被周围的水分子取代（插图，图2A）），导致更快的解离率，因此药效学差[50,51]。类似地，埋藏结合位点中的水分子显示在微秒至纳秒范围内的停留时间，而表面水分子在低皮秒范围内表现出短的停留时间[52]。

而与sLe x复合的E-选择蛋白是溶剂暴露相互作用的一个很好的例子[12,53]，FimH LD与甘露糖苷的相互作用很好地说明了深CRD的反作用情况[36]（图2A和B分别为）。溶剂暴露的这种差异导致其生理配体的停留时间显着不同。尽管sLe x具有小于1秒的停留时间，但FimH LD（I）的天然底物显示超过一分钟的停留时间，并且对于一些合成的FimH LD拮抗剂甚至更长[48,54]。

在分析的CLEC A - F和细菌凝集素G - 1中，亲和力随着结合位点的溶剂暴露的减少而增加（图2C）。掩埋配体的表面积，表达结合位点的溶剂暴露的另一种方式，是160-180埃之间2对甲 - ˚F，228埃2为G ^，262埃2为ħ，和310中的2对余。H和I的深腔中的介电常数ε减小以及由此产生的配体与周围水分子的闭塞，导致更稳定的氢键网络，从而产生更高的亲和力。此外，F的结合位点具有芳香族His189，其可以参与CH-π相互作用，与0-6.3kJ / mol范围内的结合亲和力的贡献相关[55,56]。

分析甘露糖 - 凝集素相互作用的动力学（图3）。在下一步中，分析了H键和金属相互作用的稳定性，以及高流动性与保守水的影响。为了评估七种钙依赖性凝集素的配体复合物的动态行为，进行了20ns的分子动力学（MD）模拟[57]。在整个模拟过程中，甘露糖部分的O-C3和O-C4与CLECs A - F的钙离子的最显着的相互作用是稳定的[5,7]。细菌凝集素LecB（G）和BC2L-A（H）每种都含有两个钙离子，碳水化合物配体形成多达四种相互作用：O-C2和O-C4各自提供一种，而O-C3与两种钙离子结合。