嘌呤核糖開關(guān)和細(xì)胞凋亡抑制蛋白與藥物作用機(jī)制的理論研究.pdf

1、以生物大分子(包括多肽、蛋白質(zhì)、抗體、聚糖和核酸)尤其是蛋白質(zhì)和核酸為靶點的藥物設(shè)計與合成在一些重大疾病如腫瘤、艾滋病、糖尿病、心腦血管疾病等的治療方面取得了很大的成功,被認(rèn)為是藥物研究中最有前景的領(lǐng)域之一。生物大分子和藥物分子的相互作用研究是藥物設(shè)計的基礎(chǔ),但是僅僅依靠實驗手段還不能完全解決它們之間的相互機(jī)制和藥物分子的構(gòu)效關(guān)系,借助于理論化學(xué)和分子模擬方法對生物大分子和藥物分子的相互作用進(jìn)行研究不僅對于計算化學(xué)方法的發(fā)展和應(yīng)用具有重

2、要意義,對于理解藥物的作用機(jī)理、設(shè)計新的藥物分子也具有理論指導(dǎo)意義。
　　 近年來人們發(fā)現(xiàn)核糖開關(guān)和細(xì)胞凋亡抑制蛋白也是兩類重要的藥物靶點。許多課題組得到了一些核糖開關(guān)和小分子代謝物的晶體結(jié)構(gòu),以及凋亡抑制蛋白與線粒體蛋白相互作用的晶體結(jié)構(gòu),并根據(jù)代謝物小分子的結(jié)構(gòu)設(shè)計和合成了許多類似物分子。但是,藥物分子的結(jié)構(gòu)與靶分子的相互作用機(jī)制仍不明確,本文應(yīng)用分子對接和動力學(xué)模擬方法對鳥嘌呤核糖開關(guān)和凋亡抑制蛋白與多種代謝物分子的相互作

3、用進(jìn)行了系統(tǒng)的理論研究,主要內(nèi)容如下:
　　 (1)修飾嘧啶和嘌呤與突變的鳥嘌呤核糖開關(guān)的作用機(jī)制研究:Gilbert等人通過實驗證明核糖開關(guān)GR(C74U)除了特異性結(jié)合鳥嘌呤以外,還能結(jié)合氨基嘧啶配體,但是并沒有詳細(xì)解釋配體結(jié)構(gòu)變化如何影響其與核糖開關(guān)的結(jié)合能力和結(jié)合方式。我們從理論上考察了突變的鳥嘌呤核糖開關(guān)GR(C74U)與氨基嘌呤、嘧啶和咪唑衍生物三種類似物之間的相互作用,以及氨基對結(jié)合方式和結(jié)合能力的影響。計算結(jié)果表

4、明:(1)所有的氨基嘌呤和氨基嘧啶配體都能結(jié)合到由U22、U47、U51和U74等四個核甘酸組成的結(jié)合口袋中,但是兩個咪唑衍生物(組胺和L-組胺醇)卻采用不同的結(jié)合方式；(2)嘌呤配體都位于三向結(jié)合點的結(jié)合口袋中,但是大部分嘧啶配體只與核糖開關(guān)形成兩向結(jié)合點；(3)配體中氨基取代基的數(shù)目對于配體骨架的位置和取向沒有顯著影響,取代基數(shù)目的減少只能引起結(jié)合能的微弱減小,但是配體中氨基位置的變化會引起結(jié)合能力的顯著變化；(4)嘌呤的五元環(huán)對分

5、子識別是次要的,配體通過六元環(huán)與堿基U51和U74形成Watson-Crick堿基配對相互作用,從而形成穩(wěn)定的配合物,從理論上揭示了核糖開關(guān)分子識別的本質(zhì)。
　　 (2)鳥嘌呤類似物與鳥嘌呤核糖開關(guān)的相互作用:鳥嘌呤核糖開關(guān)能特異性結(jié)合鳥嘌呤類似物,但是結(jié)構(gòu)不同的類似物與核糖開關(guān)的結(jié)合能力具有明顯的差別。為了研究核糖開關(guān)對小分子配體特異性識別的本質(zhì),并對嘌呤類似物的結(jié)合能力進(jìn)行定量評估,我們對二十個鳥嘌呤類似物與鳥嘌呤核糖開關(guān)的

6、相互作用進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。研究發(fā)現(xiàn):(1)大多數(shù)鳥嘌呤類似物在結(jié)合口袋中的取向是相同的,受官能團(tuán)位置的變化影響很小。但是配體結(jié)構(gòu)的微小變化會引起結(jié)合能的顯著變化,這種變化主要是由于配體與周圍堿基之間氫鍵的變化引起的；(2)黃嘌呤配體采用烯醇式結(jié)構(gòu)與核糖開關(guān)結(jié)合,其結(jié)合能力和結(jié)合方式與次黃嘌呤相似,與實驗結(jié)果完全一致；(3)鳥嘌呤類似物主要是通過氫鍵與堿基U51和C74結(jié)合形成穩(wěn)定的配合物,盡管C74號堿基決定了核糖開關(guān)識別的特異性,但是

7、U51堿基對于配合物的穩(wěn)定性起著非常重要的作用。這些發(fā)現(xiàn)不僅有助于理解配體上官能團(tuán)的變化對結(jié)合能力和結(jié)合方式的影響,而且為深入理解鳥嘌呤核糖開關(guān)對小分子配體的識別作用提供了理論基礎(chǔ)。
　　 (3)含有七元環(huán)的Smac類似物與XIAP-BIR3的作用機(jī)制:細(xì)胞凋亡在維持細(xì)胞繁殖和死亡平衡中起著非常重要的作用,根據(jù)線粒體蛋白Smac/DIABLO與XIAP-BIR3配合物的晶體結(jié)構(gòu),人們設(shè)計和合成了一系列多肽和非肽類小分子。人工合成

8、的這些小分子(稱為Smac類似物)能模擬線粒體蛋白(Smac)N端的四個殘基Alal-Val2.Pro3.Ile4(AVPI),與caspase-9競爭性地結(jié)合XIAP-BIR3結(jié)構(gòu)域,解除XIAP對caspase-9的抑制而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。為了研究XIAP-BIR3結(jié)構(gòu)域?qū)mac類似物的識別作用本質(zhì),我們研究了四個具有代表性的含有七元環(huán)的Smac類似物與XIAP-BIR3的相互作用。對接結(jié)果表明,這些配體的分子骨架在結(jié)合口袋中的取向與

9、Smac中的AVPI四肽序列完全相同,每個配體在口袋中都對應(yīng)兩種競爭性的結(jié)合構(gòu)象,分別稱為伸展和彎曲構(gòu)象,這兩種構(gòu)象是由類似物末端的二苯甲基的取向決定的。當(dāng)類似物的氨基部分為亞氨基時,類似物與XIAP-BIR3的結(jié)合能力最大,而分子動力學(xué)的研究結(jié)果進(jìn)一步表明伸展構(gòu)象與XIAP-BIR3的結(jié)合更穩(wěn)定,彎曲構(gòu)象在動力學(xué)模擬過程中逐漸轉(zhuǎn)化為伸展構(gòu)象。能量分解的結(jié)果表明Thr308是對結(jié)合自由能貢獻(xiàn)最大的殘基,Asp309,Glu314和Trp

10、323等殘基是XIAP-BIR3結(jié)構(gòu)域結(jié)合Smac類似物必不可少的殘基。
　　 (4)雙環(huán)和三環(huán)核心的一價Smac類似物與XIAP-BIR3的作用研究:人工合成的一系列含有不同官能團(tuán)的Smac類似物模擬Smac N-端的四個殘基與XIAP-BIR3結(jié)合,但是表現(xiàn)出不同的結(jié)合能力和結(jié)合方式。我們考察了三類結(jié)構(gòu)不同的Smac類似物與XIAP-BIR3結(jié)合時,結(jié)構(gòu)變化對結(jié)合能力和結(jié)合方式的影響。研究發(fā)現(xiàn),這些Smac類似物都以伸展構(gòu)象

11、對接到XIAP-BIR3的表面溝槽中,分子骨架與Smac N端的AVPI序列重疊。由于受空間位阻影響,雙環(huán)核心中七元環(huán)結(jié)構(gòu)的變化對結(jié)合能力沒有顯著貢獻(xiàn),但是五元環(huán)對配體結(jié)合是非常重要的,尤其是在五元環(huán)上引入苯甲基取代基更有利于配體的結(jié)合。Smac類似物末端的R-型四氫萘基更靠近疏水殘基Leu292,因此更有利于配體的結(jié)合。分子動力學(xué)結(jié)果還表明,配體與XIAP-BIR3的結(jié)合比較穩(wěn)定,分子骨架基本不變,只是類似物SMb6和SMc3的取代基

12、取向在動力學(xué)過程中發(fā)生變化。雙環(huán)核心部分和Thr308之間的氫鍵作用對于維持配合物的穩(wěn)定性是非常重要的。MM_PBSA方法計算得到的結(jié)合自由能與實驗結(jié)果基本一致,變化趨勢完全相同。我們的理論研究為進(jìn)一步設(shè)計和合成Smac類似物提供有用的信息。
　　 本文的創(chuàng)新點主要表現(xiàn)在以下三個方面:
　　 1.系統(tǒng)地研究了鳥嘌呤核糖開關(guān)能特異性識別嘧啶和嘌呤配體的本質(zhì)。通過考察核糖開關(guān)與一系列配體的相互作用得出:核糖開關(guān)的特異性識別功

13、能主要由其結(jié)合口袋中堿基的位置和種類決定,其周圍堿基對分子識別也有較大的影響,只有當(dāng)配體與結(jié)合口袋中的重要堿基如C74(或U74)和U51能形成較強(qiáng)的Watson-Crick堿基配對作用時,核糖開關(guān)才能對嘧啶和嘌呤衍生物進(jìn)行特異性識別。
　　 2.系統(tǒng)地研究了不同配體的結(jié)構(gòu)對特異性識別的影響規(guī)律。對于氨基取代的嘧啶衍生物來說,氨基取代基的數(shù)目對其在結(jié)合口袋中的取向沒有顯著影響,但其位置的變化對核糖開關(guān)與配體的結(jié)合能力有嚴(yán)重影響。

14、而對于含有空間位阻作用較小的取代基的嘌呤衍生物,當(dāng)在嘌呤環(huán)的1-、2-、6-和8-號位分別引入空間效應(yīng)較小的基團(tuán)時,配體在結(jié)合口袋中的取向不會發(fā)生變化,但是結(jié)合能力隨取代基的種類和位置的變化而顯著不同。
　　 3.系統(tǒng)地研究了凋亡抑制蛋白與雙環(huán)和三環(huán)核心的一價Smac類似物的作用機(jī)制。類似物采用更穩(wěn)定的伸展構(gòu)象與凋亡抑制蛋白結(jié)合,其雙環(huán)核心部分對于配體的結(jié)合是非常重要的,但是對其中的七元環(huán)進(jìn)行修飾不會顯著增強(qiáng)結(jié)合能力,而在五元環(huán)