用分子模拟方法研究蛋白质受体与配体的相互作用

论文摘要

随着人类基因组计划的完成,以功能基因组学和蛋白质组学为主要研究内容的后基因组时代已经到来。蛋白质结构与功能关系的研究以及这些研究的实际应用,是蛋白质组学研究的重要组成部分。蛋白质分子是生命活动的重要物质,而蛋白质与配体的相互作用和识别是蛋白质发挥其生物功能的重要途径之一,它在细胞活动和生命过程中扮演着非常重要的角色,比如基因调控、信号传导、免疫反应等等都离不开蛋白质-配体的相互作用。因此,蛋白质受体与配体的相互作用研究对于生物调控机制的理解和细胞结构和功能的认识具有重要的意义,并为新药靶点的发现和药物设计提供理论基础。蛋白质与配体的相互作用和识别研究一直是生命科学领域研究的前沿和热点。由于实验测定蛋白质复合物结构存在较大的困难,近年来,随着计算机处理能力的不断增强以及理论模拟方法的迅速发展和广泛应用,分子动力学（Molecular dynamics, MD）、分子对接和自由能计算等分子模拟方法已经成为研究蛋白质受体与其配体相互作用机制及其动态过程的重要手段。细胞内外物质的交换与转运是维持细胞正常生命活动的重要过程,而细胞外液结合蛋白能够特异性的识别和结合底物,在底物的转运过程中起着非常关键的作用。研究结合蛋白与底物的专一性结合过程以及探讨二者识别和结合的结构基础对于理解这一生命过程具有非常重要的意义。本论文的第一部分工作就是以细胞外液结合蛋白中的谷氨酰胺结合蛋白为例,对蛋白与其底物谷氨酰胺的结合自由能、关键残基以及铰链功能等进行了研究和探讨。艾滋病的流行严重威胁着人类生命健康,针对艾滋病的药物设计是目前各国投入巨资研究的热点领域。人类免疫缺陷病毒（HIV）整合酶是研发抗HIV新药的一个重要靶点。在HIV的生命周期中,整合酶负责把病毒DNA整合到宿主细胞DNA中,因而,研究整合酶与病毒DNA有效识别的作用机制对于设计针对整合酶的抗HIV药物具有重要的意义。本论文的第二部分工作主要研究了HIV整合酶与其不同配体（即小分子、多肽和DNA）的相互作用,对整合酶抗药性、小肽抑制剂的抑制机理以及整合酶与病毒DNA的结合模式等一系列重大的生物学问题给出了较为合理的解释。本论文主要工作内容和创新点包括以下两部分:1.谷氨酰胺结合蛋白的分子动力学模拟和自由能计算谷氨酰胺结合蛋白是大肠杆菌透性酶系统中一个细胞外液底物专一性结合蛋白,对于细胞外液中谷氨酰胺的运输和传递至关重要。本文用MD模拟采样,考察了谷氨酰胺结合蛋白关键残基与底物谷氨酰胺之间的相互作用以及谷氨酰胺结合蛋白两条铰链的功能差别;并采用MM-PBSA方法计算了谷氨酰胺结合蛋白与底物谷氨酰胺的结合自由能。结果表明:Ph13, Phe50, Thr118, Ile69与底物谷氨酰胺的范德华相互作用和Arg75, Thr70, Asp157, Gly68, Lys115, Ala67, His156与底物谷氨酰胺的静电相互作用是稳定复合物结构的主要作用力;谷氨酰胺结合蛋白与谷氨酰胺的复合物铰链区85～89柔性较大,为构象开合提供了结构基础;而铰链区181～185柔性小,其作用更多的是从功能上把底物谷氨酰胺限制于口袋中;谷氨酰胺结合蛋白与底物谷氨酰胺的结合自由能计算值与实验值相吻合。2. HIV-1整合酶与其配体相互作用的分子模拟研究（1） HIV-1整合酶与小分子抑制剂L-菊苣酸（LCA）的结合模式及抗药性研究用多构象分子对接和MD模拟,研究了野生型整合酶核心区及G140S点突变的突变态整合酶核心区与抑制剂LCA的结合模式,并基于该结合模式,探讨了整合酶G140S突变体对抑制剂LCA的抗药性。结果表明,LCA结合到整合酶G140S突变体核心区中的位置与结合到野生型整合酶核心区的位置不同,结合位置的差异导致LCA抑制作用的部分丧失;整合酶功能loop区的柔性以及Mg2+离子与三个关键残基Asp64, Asp116, Glu152之间的相互作用有助于整合酶发挥生物学功能;整合酶G140S突变体核心区中的Glu152与LCA的排斥作用和Lys159与LCA结合能力的变弱以及Tyr143指向整合酶的口袋区等相互作用变化是产生抗药性的重要原因。（2）小肽抑制剂EBR28与HIV-1整合酶相互识别及抑制机理研究最近合成的12肽EBR28能强烈的结合整合酶,并能抑制整合酶与病毒DNA结合,该肽被认为是一种最有潜力的抑制整合酶生物活性的小肽先导化合物。然而EBR28与整合酶的结合模式以及抑制机理目前尚不清楚。用分子对接和MD模拟获得了EBR28与整合酶单体核心区（IN1）以及二聚体核心区（IN2）的结合模式。结果发现,EBR28主要是通过非键相互作用结合到IN1和IN2的β3、α1和α5结构域。基于该结合模式,计算了一系列EBR28突变肽与IN1的结合自由能,计算结果与实验值相关性较好（r = 0.88）,进一步验证了结合模式的正确性。最后通过主成分分析和能量分解以及EBR28在IN1EBR28和IN2EBR28复合物中的运动性差异分析,给出了EBR28与实验吻合的抑制机理,即EBR28结合到整合酶单体接触界面上,抑制了整合酶二聚体形成,最终使得病毒DNA无法结合到整合酶上。（3） HIV-1整合酶与病毒DNA的结合模式及构象变化的研究用分子对接方法获得整合酶二聚体与27 bp病毒DNA的特异性结合模式。结果表明:整合酶二聚体b链的Lys14, Arg20, Lys156, Lys159, Lys160, Lys186, Lys188, Arg199和a链的Lys219, Trp243, Lys244, Arg262, Arg263是整合酶结合病毒DNA的关键残基;并从结构上解释了能使整合酶发挥活性的病毒DNA的最小长度是15 bp。通过分析结合能发现,整合酶与DNA稳定结合的主要因素是非极性相互作用,而关键残基与病毒DNA相互识别则主要依赖于极性相互作用。基于分子对接所获得的结合模式,用MD模拟和统计方法研究了整合酶二聚体和DNA结合后的运动模式、相关运动和病毒DNA构象的变化,并简要分析了整合酶二聚体与病毒DNA识别中的溶剂化效应。结果表明,病毒DNA按照结合能力大小可分为5个区域,即非结合区,高结合区1,弱结合区,高结合区2,反应区。病毒DNA和整合酶二聚体结合后,各自的运动模式和协同性运动都有较大的变化。与未结合整合酶二聚体的病毒DNA相比,复合物中病毒DNA除非结合区碱基外,结合区碱基的构象变化都较大。复合物的病毒DNA主链较大程度的偏离标准B型DNA以及结合部位的小沟变宽都是识别整合酶二聚体的基础。最后通过分析整合酶二聚体与DNA的界面水所形成的氢键发现,水在整合酶和病毒DNA识别中起着重要作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 蛋白与配体相互作用研究的意义及内容
• 1.1.1 研究意义
• 1.1.2 研究内容及方法
• 1.2 谷氨酰胺结合蛋白的研究进展
• 1.2.1 研究意义
• 1.2.2 研究现状及进展
• 1.3 HIV-1 整合酶的研究进展
• 1.3.1 研究意义
• 1.3.2 整合酶的结构与功能
• 1.3.3 整合酶的研究现状及进展
• 1.4 蛋白质-DNA相互作用研究进展
• 1.4.1 研究意义
• 1.4.2 研究现状及进展
• 第2章 计算方法
• 2.1 分子动力学模拟
• 2.1.1 基本原理及半经验势函数
• 2.1.2 积分算法
• 2.1.3 能量优化
• 2.1.4 模拟的其他细节
• 2.2 分子对接
• 2.2.1 基本原理
• 2.2.2 搜索算法
• 2.2.3 打分函数
• 2.2.4 常用对接软件简介
• 2.3 自由能计算
• 2.3.1 研究意义
• 2.3.2 常用的自由能计算方法简介
• 第3章 谷氨酰胺结合蛋白的分子动力学模拟和自由能计算
• 3.1 研究背景及意义
• 3.2 模型与计算
• 3.3 结果与讨论
• 3.4 本章小结
• 第4章 HIV-1 整合酶与抑制剂LCA的结合模式及抗药性研究
• 4.1 研究背景及意义
• 4.2 材料与方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.4 本章小结
• 第5章 HIV-1 整合酶EBR28 小肽抑制剂的抑制机理研究
• 5.1 研究背景及意义
• 5.2 体系与方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.4 本章小结
• 第6章 HIV-1 整合酶与病毒DNA的相互作用研究
• 6.1 HIV-1 整合酶与病毒DNA的结合模式研究
• 6.1.1 研究背景及意义
• 6.1.2 体系与方法
• 6.1.3 结果与讨论
• 6.1.4 本节小结
• 6.2 HIV-1 整合酶与病毒DNA复合物的分子动力学模拟
• 6.2.1 体系与方法
• 6.2.2 结果与讨论
• 6.2.3 本节小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 论文工作结论
• 7.2 论文创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文
• 致谢