應(yīng)用相互作用熵方法研究靜電極化效應(yīng)和橋梁水分子對(duì)CDK2-配體結(jié)合親和力的影響.pdf

1、蛋白質(zhì)激酶（PKs）家族是一個(gè)很大的同源蛋白質(zhì)家族，它們參與了許多生理和生化過程，例如，在細(xì)胞生長、代謝、分化及凋亡進(jìn)程中起到至關(guān)重要的作用。細(xì)胞周期素依賴性激酶（CDKs）是眾多蛋白質(zhì)激酶中的一類，它們主要調(diào)控細(xì)胞增殖、神經(jīng)功能和轉(zhuǎn)錄等過程。它們的結(jié)構(gòu)突變和過度表達(dá)與細(xì)胞癌變的發(fā)生有著密切的關(guān)系，因此，眾多學(xué)者對(duì)細(xì)胞周期素依賴性激酶的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行廣泛地關(guān)注和研究。
　　眾所周知，細(xì)胞周期失去控制將會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞的無限/惡性增值，進(jìn)

2、而導(dǎo)致細(xì)胞癌變引發(fā)癌癥。細(xì)胞周期是細(xì)胞周期素（Cyclin）、細(xì)胞周期素依賴性激酶及其抑制劑共同調(diào)控和管理的。作為細(xì)胞周期素依賴性激酶中的“明星”成員，細(xì)胞周期素依賴性激酶2（CDK2）與細(xì)胞周期素A、E（Cyclin A、Cyclin E）共同調(diào)控細(xì)胞周期的G1期到S期的過渡階段、S期以及S期到G2期的過渡階段。如果G1期到S期的過度階段被破壞，細(xì)胞周期將直接進(jìn)入S期或M期，導(dǎo)致細(xì)胞損傷進(jìn)而引發(fā)癌癥。因此，細(xì)胞周期素依賴性激酶2是治療

3、癌癥的一個(gè)有前景的靶標(biāo)，而其對(duì)應(yīng)的抑制劑也在抗癌藥物的修飾和設(shè)計(jì)中有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
　　目前，我們可以從蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫（PDB）中獲得很多細(xì)胞周期素依賴性激酶及其抑制劑的晶體結(jié)構(gòu)，這對(duì)我們的研究有很大幫助。但是，針對(duì)該體系的研究存在一些缺陷和不足，本文作了如下改進(jìn)：
　　1）在分子動(dòng)力學(xué)模擬（MD模擬）過程中，力場(chǎng)參數(shù)的精確性直接影響了模擬過程和結(jié)果的準(zhǔn)確性。然而，在現(xiàn)有的力場(chǎng)中，例如AMBER、CHARMM等，均采用平均場(chǎng)

4、的方法來擬合原子的部分電荷，而忽略了生物分子、水分子及離子等之間的極化效應(yīng)。許多研究工作證明，極化效應(yīng)對(duì)模擬結(jié)果有很大影響。因此，我們采用了新型的電荷擬合方案——極化蛋白質(zhì)專一性電荷（PPC）擬合方案。在擬合原子部分電荷的過程中，我們充分考慮了生物分子與其周圍環(huán)境之間的極化效應(yīng)。在模擬過程中，采用該擬合方案，我們可以得到更加穩(wěn)定可靠的構(gòu)象，并得到了更加精確的模擬結(jié)果。
　　2）就該體系而言，許多工作只研究了細(xì)胞周期素依賴性激酶與其

5、抑制劑之間的相互作用機(jī)制，而忽略了橋梁水分子對(duì)二者的調(diào)控作用。我們通過觀察眾多的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，一個(gè)水分子既可以蛋白質(zhì)的 Asp145等殘基形成氫鍵，又可以和抑制劑形成氫鍵（我們稱之為Wat145），起到“橋梁”作用，進(jìn)而來調(diào)節(jié)它們之間的氫鍵網(wǎng)絡(luò)。Wat145存在于大多數(shù)的晶體結(jié)構(gòu)中，在許多工作中，其作用往往被忽略。因此，在本文中，我們著重研究了Wat145對(duì)蛋白、配體間氫鍵網(wǎng)絡(luò)的影響，以及Wat145對(duì)結(jié)合自由能的貢獻(xiàn)等問題。并根據(jù)上述

6、結(jié)果，對(duì)Wat145取代與否作了預(yù)測(cè)，該結(jié)果與Essex課題組結(jié)論一致。
　　3）使用傳統(tǒng)的MM/PBSA方法計(jì)算結(jié)合自由能時(shí)，Normal mode（Nmode）分析熵變是非常耗時(shí)的，考慮到效率問題，我們只能減少采樣，這將降低模擬結(jié)果的精確性。針對(duì)上述問題，我們應(yīng)用了更為簡單、高效的熵變計(jì)算方法——相互作用熵（IE）方法。該方法是從最基本的熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理公式出發(fā)，并經(jīng)過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)得到的。該方法只需要知道蛋白和配體之間的相互作

7、用能及其漲落，而不需要進(jìn)行額外、復(fù)雜的計(jì)算就能高效地計(jì)算熵變。由于，該方法效率高，我們可以進(jìn)行充分采樣，進(jìn)而使模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確。
　　經(jīng)過本文研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)考慮 Wat145時(shí)，極化蛋白質(zhì)專一性電荷擬合方案結(jié)合相互作用熵方法計(jì)算的結(jié)合自由能和實(shí)驗(yàn)值的相關(guān)性達(dá)到了0.98，而且計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的排序相一致。Wat145在不同的復(fù)合物中，對(duì)結(jié)合自由能的貢獻(xiàn)不同，這取決于它們所處的結(jié)合環(huán)境。上述結(jié)論為抗癌藥物的設(shè)計(jì)和修飾提供了很好的理論基礎(chǔ)