HIV-1蛋白酶與抑制劑相互作用的理論研究.pdf

1、獲得性免疫缺陷綜合癥(acquired immunodeficiency syndrome，AIDS)簡稱艾滋病，主要由Ⅰ型人類免疫缺陷性病毒(Human immunodeficiency virus I，HIV-1)引起，是一種跨種屬傳播的、死亡率很高的疾病，已成為世界第四大死亡原因，艾滋病在世界范圍內(nèi)的迅速傳播嚴(yán)重威脅著人類的生命健康，對其的有效治療已成為醫(yī)學(xué)界最具挑戰(zhàn)性的課題，針對艾滋病的藥物設(shè)計在目前和將來都是相關(guān)理論研究的熱點(diǎn)

2、領(lǐng)域。
　　在HIV-1基因組復(fù)制過程中，有三種關(guān)鍵的酶，分別是HIV-1逆轉(zhuǎn)錄酶(reverse transcriptase，RT)、蛋白酶(protease，PR)和整合酶(intergrase，IN)。其中PR是一個具有C2對稱性的同源二聚體，每一條肽鏈由99個氨基酸組成，它在病毒生命周期中的功能是把HIV-1加工為能感染宿主細(xì)胞的成熟的病毒顆粒，因此PR成為研發(fā)治療艾滋病藥物的一個重要靶點(diǎn)。
　　PR抑制劑(prot

3、ease inhibitors，PIs)是一些具有抑制PR活性的化合物，其作用機(jī)理是模擬肽鏈與PR的結(jié)合部位結(jié)合，從而抑制PR的活性，阻斷艾滋病毒的復(fù)制，因此PIs是一類重要的抗艾滋病藥物。本文專門針對PR與PIs的相互作用來進(jìn)行理論研究，這對于針對PR的抗艾滋病藥物的設(shè)計和研發(fā)具有重要意義。
　　在過去20多年里，人們針對艾滋病的治療從理論到實(shí)驗都做了大量的研究工作，取得了不小的進(jìn)步。但由于實(shí)驗測定PR及其PIs復(fù)合物結(jié)構(gòu)存在較

4、大的困難，因此這一領(lǐng)域的理論研究顯得尤為重要。而計算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力的不斷增強(qiáng)以及各種理論模擬方法的不斷發(fā)展和改進(jìn)，又為理論研究提供了從技術(shù)到方法的支持。目前分子動力學(xué)(molecular dynamics，MD)模擬和自由能計算已成為研究生物大分子結(jié)構(gòu)、動力學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì)的重要工具。MD模擬不僅可給出生物大分子在原子水平上的運(yùn)動細(xì)節(jié)，而且能夠提供大分子位置漲落和構(gòu)象變化的詳細(xì)信息。準(zhǔn)確的自由能預(yù)測，可以使我們更好地理解生物大分子的結(jié)構(gòu)和

5、功能關(guān)系，為合理的藥物設(shè)計提供依據(jù)。目前分子力學(xué)?泊松–玻耳茲曼溶劑可接近表面積(molecular mechanics/Poisson-Boltzman surface area，MM-PBSA)方法是應(yīng)用很廣的一種基于經(jīng)驗方程的自由能計算方法。
　　本文利用MD模擬和MM-PBSA方法進(jìn)行PR及其PIs相互作用的理論研究，主要由以下三部分內(nèi)容組成:
　　1、BEC和BEG兩種 PIs與 PR相互作用機(jī)理的研究本文選擇了兩

6、種最近被美國食品藥品管理局批準(zhǔn)使用的PIs BEC和BEG來進(jìn)行相關(guān)研究，采用的方法是MD模擬結(jié)合MM-PBSA方法。我們計算分析了BEC-PR和BEG-PR兩種復(fù)合物PR主鏈上的C?原子在整個 MD過程中相對于其原始結(jié)構(gòu)的均方根偏差(root-mean-squared deviation，RMSD)值；進(jìn)行了兩種復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)和MD軌跡中最后1ns平均結(jié)構(gòu)的疊加分析；使用單軌跡拓?fù)涞腗M-PBSA方法計算了兩種復(fù)合物的結(jié)合自由能；用

7、自由能分解方法計算了PI-殘基相互作用譜線。結(jié)果表明:這兩種復(fù)合物的動力學(xué)穩(wěn)定性是可信的；并且范德華能量是這類PIs與PR結(jié)合的主要推動力；對這兩種復(fù)合物，主要的相互作用來自Gly27、Ala28/Ala28?、Gly49、Ile50/Ile50?和Ile84/Ile84?殘基，兩種復(fù)合物的相互作用能主要由三種類型的相互作用產(chǎn)生:氫鍵相互作用、C–H??相互作用和C–H?H–C相互作用，它們在BEC和BEG與PR的結(jié)合方面發(fā)揮著重要作用

8、，這些相互作用的改進(jìn)和優(yōu)化可以極大地推動對抗艾滋病的高效PIs的研究。
　　2、質(zhì)子化態(tài)在PR-Indinavir復(fù)合物中作用的研究茚地那韋(IDV N-[2(R)-HYDROXY-1(S)-INDANYL]-5-[(2(S)-TERTIARYBUTYLAMINOCARBONYL)-4(3-PYRIDYLMETHYL) PIPERAZINO]-4(S)-HYDROXY-2(R)-PHENYLMETHYLPENTANAMIDE)是較

9、早被用來抑制 PR的PI，PR和IDV的相互作用受兩個天冬氨酸殘基質(zhì)子化態(tài)的影響很大，而實(shí)驗提供的PR-IDV復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)不能直接給出有關(guān)質(zhì)子化的信息，因此，確定 PR-IDV復(fù)合物中天冬氨酸的質(zhì)子化態(tài)有助于設(shè)計與 IDV相關(guān)的PIs，有助于理論上研究PR的變異對其與 IDV結(jié)合的影響。本文中我們對PR-IDV復(fù)合物的六種可能的質(zhì)子化態(tài)分別進(jìn)行了5ns的分子動力學(xué)模擬，分析了這六種不同的質(zhì)子化狀態(tài)對動力學(xué)特征和結(jié)構(gòu)的影響，并用MM-

10、PBSA方法計算了PR和IDV在各種質(zhì)子化狀態(tài)下的結(jié)合自由能。計算結(jié)果說明 A鏈的Asp25的OD2的質(zhì)子化是最為可能的狀態(tài)。同時，我們對PR-IDV復(fù)合物中起媒介作用的水分子與 PR-IDV復(fù)合物形成的氫鍵進(jìn)行了分析，結(jié)果表明不同的質(zhì)子化態(tài)對水分子在PR-IDV復(fù)合物中所起的媒介作用沒有影響。
　　3、PR與 PI TMC114結(jié)合口袋內(nèi)水分子作用的研究水分子在生物分子的穩(wěn)定、動力學(xué)、功能和識別方面發(fā)揮著重要作用，許多研究表明水

11、分子不僅能充當(dāng) PIs和PR之間的橋梁，而且能穩(wěn)定 PR的結(jié)構(gòu)。TMC114是一種相當(dāng)有效的阻止 PR發(fā)揮作用的第二代非肽 PIs，在PR與 TMC114結(jié)合口袋內(nèi)發(fā)現(xiàn)有五個水分子(Wat301、Wat2、Wat5、Wat89和Wat211)。我們分別進(jìn)行了帶有和不帶有5個水分子的PR-TMC114復(fù)合物的3ns分子動力學(xué)模擬，計算了PR主鏈上的C?原子在MD軌跡過程中相對于原始最小能量結(jié)構(gòu)的RMSD值，將復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)和MD軌跡最后

12、1ns的平均結(jié)構(gòu)進(jìn)行疊加，并分析了描述結(jié)合特性的氫鍵。計算結(jié)果表明:結(jié)合口袋內(nèi)的水分子可以維持 PR-TMC114復(fù)合物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定； Wat301，Wat2和Wat5在MD模擬過程中保持穩(wěn)定；Wat301可以穩(wěn)定 PR與 TMC114柔性區(qū)域的結(jié)構(gòu)；與5個水分子有關(guān)的氫鍵引起的約束使得 PR的殘基和TMC114在模擬過程中在它們的原始位置保持不動。我們期待這一研究可以增進(jìn)人們對PR-PI復(fù)合物中水分子作用的深入了解，并且對高效 PIs的