功能环肽的分子动力学模拟研究

发布时间：2020-08-14 07:17

【摘要】：环肽因其在序列和成环方式上的多样性,显示出丰富的结构多样性与功能多样性,在生化研究中扮演越来越重要的角色,如自组装形成纳米管结构、与靶点蛋白结合参与代谢调控等。本论文以分子动力学模拟为主要手段,在微观至介观尺度上对特定类型环肽与小分子、磷脂膜和蛋白质等物质之间的相互作用进行了理论研究。具有左/右旋交替残基序列的首尾环肽可形成平环构象,平环间可反平行上下堆叠组装成纳米管结构,纳米管空腔可用于递送货物分子。采用Amber全原子力场对c[-(Aa)5-]自组装环肽纳米管结构进行模拟,结果表明c[-(Aa)5-]反平行二聚体、八聚体和无限长纳米管在298 K常温和373 K高温条件下均未发生解聚。反平行β-折叠片之间的单个氢键处于动态的生成和湮灭过程,但瞬时氢键总数足够维持纳米管结构不被破坏。通过伞状取样模拟绘制四甲基铵、胆碱和乙酰胆碱从外部水环境进入c[-(Aa)5-]反平行八聚体中心的平均力势曲线,结果显示三者进入过程的势能均呈在波动中下降的趋势,说明自组装环肽纳米管理论上具备递送此三种货物分子的能力。自组装环肽纳米管递送乙酰胆碱可成为治疗阿尔茨海默症的潜在方案。然而,具有疏水侧链的自组装环肽纳米管才能形成稳定跨膜通道,为揭示疏水型纳米管跨膜机制,采用Martini粗粒化力场系统考察了单体到八聚体聚合度下的c[-(Wl)4-]和c[-(Ql)4-]自组装环肽纳米管与DPPC甘油磷脂双分子层相互作用形成跨膜通道的能力,结果显示c[-(Wl)4-]纳米管与DPPC脂双层接触后会首先水平浸没入脂双层,然后通过调整倾角来自发形成跨膜纳米管通道,四聚体是c[-(Wl)4-]形成跨膜纳米管通道的临界聚合度;c[-(Ql)4-]纳米管在所有聚合度下均无法形成横跨DPPC脂双层的通道结构。伞状取样模拟显示提升聚合度导致c[-(Wl)4-]纳米管跨膜过程势能降低;导致c[-(Q1)4-]纳米管跨膜过程势能升高。c[-(Wl)4-]纳米管形成跨膜通道后,纳米管周边的DPPC分子会进行调整与纳米管结构相互契合,从而维持跨膜通道结构的稳定性。此部分研究为设计新型跨膜纳米管通道提供了理论依据。两亲型自组装环肽纳米管可通过毯式模型作用机制对细菌细胞膜和动物细胞膜表现出选择破坏性,推测其选择性与细胞膜特征参数相关。为验证上述推测,构建包括 DPPE/DPPG、POPE/POPG、DOPE/DOPG 和 DPPC/DPPG、POPC/POPG、DOPC/DOPG在内的一系列Martini粗粒化二元混合脂双层并进行NPγT平衡模拟,系统考察了疏水尾端、极性头端和表面张力对二元混合脂双层的平衡特征参数所带来的影响。结果显示同等疏水尾端和极性头端条件下,表面张力越大脂双层越薄;同等表面张力和极性头端条件下,脂双层厚度按DPPXPOPXDOPX顺序递减;同等表面张力和疏水尾端条件下,脂双层厚度按照PEPGPC顺序递减。对所有类型脂双层进行汇总分析显示脂双层厚度、平面密度和有序度三个特征参数呈正相关性,其中脂双层厚度与平面密度呈线性关系。c[-(Kl)4-]不会导致脂双层破裂,c[-(Wl)2-(Wr)-(Rk)-]破裂脂双层的临界时间期望值与脂双层平面密度呈指数关系。此部分研究为评估自组装环肽抗生素选择性提供了定性指标。西仑吉肽是典型环肽药物,其研发过程非常具有指导意义。为建立研发环肽药物的通用分子对接与虚拟筛选方法,以Amber全原子力场模拟获取西仑吉肽骨架构象空间,并开展骨架构象空间与受体整合素αvβ3的分子对接,经虚拟筛选后得到了与西仑吉肽晶体构象接近的对接构象,验证了从分子动力学模拟获取环肽骨架构象空间并将之用于分子对接的可行性。以另一种Ⅱ型糖尿病靶点蛋白二肽基肽酶-Ⅳ为测试对象,以直链三肽和四肽库APX/APXX为配体进行初次对接和虚拟筛选,得到19条对二肽基肽酶-Ⅳ具有潜在抑制性的直链肽三肽和四肽序列。基于此19条直链三肽和四肽构建序列为CPXGGGGC和CPXXGGGC的二硫键环肽,并经分子动力学模拟获取其各自骨架构象空间。对19条二硫键环肽的骨架构象空间进行二次分子对接和虚拟筛选,得到对二肽基肽酶-Ⅳ的IC50值为256 μM的二硫键环肽序列CPWGGGGC。此部分研究建立了环肽药物的理论设计方法。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O629.72
【图文】：

氨基酸残基,构象,化学,二面角

肽指相邻氨基酸之间氨基和羧基脱水缩合形成的聚合物。如果对肽的氨基逡逑酸残基个数进行细分，残基数２－２０之间是为寡肽，２１－５０之间是为多肽，５１以逡逑上是为蛋白质（图１．１）。逡逑＼邋Ｏｌｉｇｏｐｅｐｔｉｄｅ邋｜逦Ｐｏｌｙｐｔｉｄｅ逦｜邋吸丨⑴逦逡逑２逦２０逦５０邋Ｒｅｓｉｄｕｅ邋ｃｏｕｎｔｓ逡逑图１．１肽按照氨基酸残基个数进行的分类逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｐｅｐｔｉｄｅｓ邋ｂａｓｅｄ邋ｏｎ邋ａｍｉｎｏ邋ａｃｉｄ邋ｒｅｓｉｄｕｅ邋ｃｏｕｎｔｓ逡逑过去几十年里，临床前药物的研发模式经历了若千次重大改变。尽管如此，逡逑化学小分子药物的研发一直占据统治地位。但随着新型药物的不断上市，有效逡逑的构象空间（ｃｏｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｌ邋ｓｐａｃｅ）开采殆尽，化学小分子药物研发的机会成本逡逑变得越来越高，风险也越来越大。有鉴于此，药物化学家正在逐渐把研究兴趣逡逑转移到肽分子层面。相较于化学小分子而言，肽分子有其独特优势：（１）制备逡逑肽分子所需固相合成技术己经非常成熟。（２）肽分子通过调整主链ｃｐ￣二面角逡逑以及侧链Ｘ二面角，可形成丰富的构象空间，且肽的构象空间大部分尚未被探逡逑索。（３）肽的降解产物为氨基酸，生物毒性低或没有。逡逑尽管肽分子存在诸多优势

序列,环肽,自组装,纳米管

或侧链端）共价连接所形成的闭合环状结构，大多数环肽的残基个数分布在寡逦．逡逑肽区域（图１．１）。环肽成环方式多种多样，标准氨基酸的三个功能基团之间除逡逑氮端－氮端、碳端－碳端无法共价连接外，其他共价连接方式均可实现（表１．１）。逡逑如果引入特殊氨基酸，环肽序列、成环方式和构象空间会在此基础上增加一个逡逑数量级。逡逑表１．１标准氨基酸成环肽方式逡逑Ｔａｂｌｅ邋１．１邋Ｃｙｃｌｉｚａｔｉｏｎ邋ｐａｔｔｅｒｎｓ邋ｏｆ邋ｃｙｃｌｉｃ邋ｐｅｐｔｉｄｅｓ邋ｃｏｍｐｏｓｅｄ邋ｏｆ邋ｓｔａｎｄａｒｄ邋ａｍｉｎｏ邋ａｃｉｄｓ逡逑Ｃｙｃｌｉｚａｔｉｏｎ邋ｐａｔｔｅｒｎ逦Ａｍｉｎｏ邋ａｃｉｄｓ邋ｐａｒｔｉｃｉｐａｔｅ邋ｉｎ逦Ｂｏｎｄ邋ｐａｒｔｉｃｉｐａｔｅｓ邋ｉｎ逡逑逦ｃｙｃｌｉｚａｔｉｏｎ逦ｃｙｃｌｉｚａｔｉｏｎ逦逡逑Ｃ邋ｔｅｒｍｉｎｕｓ－Ｎ邋ｔｅｒｍｉｎｕｓ逦Ａｒｂｉｔｏｒｙ邋ａｍｉｎｏ邋ａｃｉｄｓ逦Ｐｅｐｔｉｄｅ邋ｂｏｎｄ逦逡逑Ｃｙｓ－Ｃｙｓ逦Ｄｉｓｕｌｆｉｄｅ邋ｂｏｎｄ逡逑Ｓｉｄｅ邋ｃｈａｉｎ－ｓｉｄｅ邋ｃｈａｉｎ逦Ａｓｐ／Ｇｌｕ－Ｌｙｓ逦Ｐｅｐｔｉｄｅ邋ｂｏｎｄ逡逑Ａｓｐ／Ｇｌｕ－Ｓｅｒ／Ｔｈｒ逦Ｅｓｔｅｒ邋ｂｏｎｄ逦逡逑Ｓｉｄｅ邋ｃｈｉａｎ－Ｎ邋ｔｅｒｍｉｎｕｓ逦Ａｓｐ／Ｇｌｕ－Ｎ邋ｔｅｒｍｉｎｕｓ逦Ｐｅｐｔｉｄｅ邋ｂｏｎｄ逦逡逑Ｃ邋ｔｅｒｍｉｎｕｓ－ｓｉｄｅ邋ｃｈａｉｎ逦Ｃ邋ｔｅｒｍｉａｕｓ－Ｌｙｓ逦Ｐｅｐｔｉｄｅ邋ｂｏｎｄ逡逑逦Ｃ邋ｔｅｍｕｎｕｓ－Ｓｅｒ／Ｔｈｒ逦Ｅｓｔｅｒ邋ｂｏｎｄ逦逡逑直链肽闭环后

序列,短杆菌肽,二聚体,环肽

而ｐ－螺旋单体长度不足以横跨细胞膜形成离子通道，研究者进而猜测短杆菌肽逡逑是以氮端头碰头形式组成Ｐ－螺旋二聚体（Ｕｒｒｙ，邋１９７１）。该二聚体跨膜孔道结逡逑构假说后来经由固态核磁共振证实（图１．３）邋（Ｋｅｔｃｈｅｍ等．，１９９６；邋Ｋｅｔｃｈｅｍ等．，逡逑１９９３）。逡逑懰逡逑图１．３短杆菌肽Ａ二聚体逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．３邋Ｇｒａｍｉｃｉｄｉｎ邋Ａ邋ｄｉｍｅｒ逡逑基于短杆菌肽二聚体跨膜孔道结构假说可以合理推测，由左旋氨基酸和右逡逑旋氨基酸交替排列构成的首尾相连环肽，理论上可以上下堆叠组装在一起，形逡逑成类似于反平行Ｐ－折叠片的稳定结构（ｄｅＳａｎｔｉｓ等．，１９７４）。其后有研究者合逡逑成了从四元环到八元环的一系列环肽，对环肽纳米管假设进行了验证，不过最逡逑早的实验只检测到了氢键，并未得到形成环肽纳米管的直接证据（Ｔｏｍａｓｉｃ和逡逑Ｌ0ｒｅｎｚｉ，１９８７）。首例报道的可自组装形成纳米管结构的环肽序列为ｃ［－（Ｑａ－Ｅａ）２－］逡逑（ＳＣＰ１），实验成功之处在于引入了谷氨酸，通过调节溶液ｐＨ可控制环肽的逡逑４逡逑

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