蛋白激酶小分子抑制劑選擇性及其JAK2激酶調(diào)控機制的計算化學研究.pdf

1、基于物理學原理的計算化學，其方法和技術(shù)可廣泛應用于生物分子體系的模擬研究。在蛋白質(zhì)功能和結(jié)構(gòu)的研究中，可用于蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的同源建模，蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)復合物的分子對接，和分子動力學模擬蛋白的柔性及功能分析。在計算機輔助藥物設(shè)計中，基于結(jié)構(gòu)的藥物虛擬篩選已經(jīng)被證明是非常有效的方法。在本論文的研究工作中，我們針對兩個很有意義的生物學問題開發(fā)了相應的計算方法并開展了研究，一是開發(fā)了一種基于物理學原理的預測激酶抑制劑選擇性的算法;二是設(shè)計了一套基

2、于結(jié)構(gòu)信息的從頭預測蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)復合物的對接策略。
　　 如何合理設(shè)計具有選擇性的激酶小分子抑制劑是激酶藥物開發(fā)中一個具有挑戰(zhàn)性但是很重要的問題。我們開發(fā)的算法主要包括以下步驟:1.選擇具有代表性的處于活性構(gòu)象的激酶晶體結(jié)構(gòu);2.用比較對接的方法構(gòu)建配體受體復合物;3.在配體存在下搜索結(jié)合位點的氨基酸構(gòu)象;4.用MM-GB/SA的打分函數(shù)評估最終的配體和受體之間的結(jié)合自由能。我們首先回顧性地評價了這種算法在預測17個常見的激酶

3、小分子抑制劑和143個激酶選擇性的表現(xiàn)。兩個相關(guān)性分析參數(shù)，排名前20％的富集因子(EF20)平均值2.81和預測指數(shù)(PI)平均值0.35表明我們的算法能夠預測一個激酶小分子抑制劑的選擇性，尤其是對有選擇性好的抑制劑具有更好的預測能力。然后我們將這種算法應用到化療藥物米托蒽醌(MX)可能結(jié)合的激酶靶點中。根據(jù)預測結(jié)果，我們?nèi)∨琶拔逦坏募っ高M行體外活性檢測。結(jié)果表明米托蒽醌對PIM1激酶具有低納摩爾級的抑制活性。同時，我們發(fā)現(xiàn)米托蒽醌

4、也能在腫瘤細胞中抑制PIM1底物的磷酸化。我們進一步解析了米托蒽醌和PIM1的復合物品體結(jié)構(gòu)，從而揭示了米托蒽醌抗癌機制的一種新的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和作用機制。雖然米托蒽醌最初被認為是通過嵌入DNA和抑制Ⅱ型拓撲異構(gòu)酶起作用的，我們的研究結(jié)果第一次表明米托蒽醌還可能通過抑制PIM1激酶發(fā)揮其抗癌療效和特異性。
　　 蛋白激酶在細胞內(nèi)行使功能時是被嚴格調(diào)控的，包括激酶自身二聚化或寡聚化，其它結(jié)構(gòu)域或蛋白的相互作用。例如JAK2激酶結(jié)構(gòu)域(J

5、H1結(jié)構(gòu)域)就受到相鄰的假激酶結(jié)構(gòu)域(JH2結(jié)構(gòu)域)的調(diào)控，但是具體兩個結(jié)構(gòu)域之間的作用機理依然不清楚。我們首先采用MuInf，一種能夠鑒定蛋白扭轉(zhuǎn)角相關(guān)性位點的算法來預測JAK2假激酶結(jié)構(gòu)域和激酶結(jié)構(gòu)域可能的變構(gòu)調(diào)節(jié)位點，然后將這些變構(gòu)調(diào)節(jié)位點作為蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)相互作用的界面來構(gòu)建起始模型，隨后我們用蛋白質(zhì)對接和分子動力學模擬來更合理地修正我們的結(jié)構(gòu)模型。我們構(gòu)建的JAK2復合物模型揭示了JAK2假激酶結(jié)構(gòu)域自我抑制的可能的一種作用機

6、制，它通過重要的疏水性作用和廣泛的靜電相互作用將激酶結(jié)構(gòu)域中的活化莖環(huán)限制在非活性狀態(tài)，同時也阻礙αC螺旋的轉(zhuǎn)動。進一步的分子動力學模擬表明在大多數(shù)骨髓增生性腫瘤患者中發(fā)現(xiàn)的JAK2的一個獲得性突變(V617F)，可能通過減弱假激酶結(jié)構(gòu)域的這種抑制作用來激動JAK2。重要的是我們用的假激酶結(jié)構(gòu)域在結(jié)合界面上的氨基酸的突變實驗證實，這些重要氨基酸的突變確實能夠激活JAK2激酶活性，并能促進用這些突變體轉(zhuǎn)化的BaF3/EpoR細胞增殖。盡管