基于结构生物信息学的蛋白质设计

论文摘要

随着人类基因组计划和许多物种全基因组测序的完成,产生了大量潜在的治疗药物靶标,使药物开发领域迫切需要全新的药物开发模式;对蛋白质及其相互作用等网络的进一步深入研究将会有越来越多对特异性蛋白抑制剂以及蛋白质功能和特性进行改造的需求;结构基因组计划的实施使越来越多的蛋白质结构得到阐明,为进行蛋白质设计提供了更多的素材。利用结构生物信息学方法进行蛋白质的理性设计,将会在后基因组时代的生物学研究和蛋白药物开发中起到越来越重要的作用。本文改进和发展了三维聚类方法,综合序列和结构信息,对双组分信号传导系统的功能特异性位点进行了分析。采用复合物结构作为参考结构,更好的识别了双组分系统中磷酸转移酶域和调节域上的功能位点。并提出通过分析残基所处结构环境的保守性与残基本身保守性的相关关系,区分残基受到的结构选择压力和功能选择压力,寻找蛋白质相互作用中的特异性位点,以提高功能位点预测的精确性。识别出的功能特异性位点可以作为潜在的药物设计靶点。随后模拟了丝氨酸蛋白质家族的蛋白质前体加工酶人furin和酵母kexin与其特异性抑制剂水蛭素突变体的复合物结构,并计算了酶与抑制剂结合的静电相互作用能,研究furin/kexin与水蛭素突变体的相互作用机制。结果表明静电相互作用能在决定抑制活性和furin/kexin的底物特异性方面起重要作用,静电突变方法为新的特异性抑制剂的理性设计提供了可行的策略。此外还利用基于异型自洽系综最优化方法的反向折叠策略,结合基于Dreiding力场的势能函数,对与蛋白质骨架兼容的蛋白质序列进行虚拟筛选,以改善蛋白质药物的特性,并成功的用于蛋白质的全序列设计这一蛋白质设计领域最具挑战性的问题。我们的异型自洽系综最优化方法有很强的对序列组合进行筛选的能力,可以筛选的氨基酸序列组合数达到1085以上,是对蛋白质功能特性进行改造以及蛋白质折叠研究的有力工具。

论文目录

• 摘要（中文）
• 摘要（英文）
• 第一章 引言
• 第二章 双组分信号传导系统中功能特异性位点的识别
• 第三章 静电突变方法理性再设计Furin/Kexin 蛋白质前体加工酶抑制剂
• 第四章 用异型自洽系综最优化方法进行蛋白质的计算机设计
• 第五章 结论
• 附录：发表文章目录
• 致谢