HIV-1催化酶别构抑制剂体系的分子动力学研究

发布时间：2019-05-09 10:23

【摘要】：艾滋病(AIDS)是由人类免疫缺陷病毒(HIV)引起,目前世界范围内主要流行HIV-1型,人感染HIV-1后,丧失免疫功能,进而威胁生命。HIV-1的复制是一个多阶段过程,每一步都是成功复制的关键,每一步也就成为设计药物的潜在目标。其中,逆转录酶(RT)和蛋白酶(PR)在复制过程中扮演关键的角色,是发明anti-HIV/AIDS新药的重要靶酶。然而,长期的用药使HIV-1已进化出对现有药物具有耐药性的变异形式,为了提高感染HIV-1尤其那些感染MDR(multidrug resistance)突变株病人的长期治疗效果,急需发展具有新机制的药物。非活性位抑制剂(也称为别构抑制剂)被普遍认为是一种极具发展前景的选择,别构抑制剂的优点在于可以避免活性位或与之结合的底物的选择压力,它通过轻微改变受体构象,使底物与受体活性位结合更牢固。因此发展别构抑制剂可以拯救现行HIV-1药物的效能,是药物设计中的一种新的策略,也是当前的前沿热点课题。RT是一个由p66和p51两个亚基组成的异二聚体,它可以催化病毒RNA基因组使之逆转录为双链DNA病毒前体。以RT为靶治疗艾滋病的药物中,非核苷类RT抑制剂(NNRTIs),也称为别构抑制剂,结合在RT的非活性位,具有广谱抗HIV-1耐药性的特点,被认为是一类具有前景的特效药。然而,尽管目前实验上已获得了许多关于RT不同状态的晶体数据,但是还缺乏NNRTIs对RT作用机制的深入了解。PR是由两条肽链组成的同质二聚体,它能把前病毒加工为具有感染能力的病毒颗粒。目前所有治疗艾滋病的PR药物都是以其活性位为靶点进行抑制,Perryman等人对PR分子碎片药物进行了系统性的筛选研究,发现其表面存在两种新结合位,exo位和top位。小分子可以结合在PR表面的两个结合位,并且有益于活性位抑制剂的结合。这一实验结果为发展能结合到exo位和top位的具有高亲和力的非活性位抑制剂分子开启了一个新起点。但是别构碎片如何影响PR构象和对活性位抑制剂结合能的贡献还都不清楚。分子动力学模拟提供了一种在原子水平上理解大分子运动细节的方法。然而,分子动力学方法的局限性也是显然的,一是实际计算中模拟时间是有限的,使得模拟轨迹无法包括所有有意义的分子构象(采样问题),二是势能函数的误差可能使得动力学轨迹偏向不正确的构象(力场问题),而且分子动力学模拟结果的可靠性还依赖于模拟方法和策略,如合适的力场、较小的步长、较长的模拟时间等都对计算结果有很大的影响。新的GPU大规模并行计算技术的出现为生物大分子模拟计算提供了更加高效的平台;新力场的不断2改进和合适的模拟策略都将有助于改进计算结果,得到更可信的信息。本论文用分子动力学模拟方法,采用新力场,使用GPU大规模并行计算技术,利用Amber12程序包,分别研究了RT与别构抑制剂和PR与别构小分子间相互作用,得出了一些重要结果。首先,为了理解NNRTIs与RT的相互作用机制,对未结合和结合Efavirenz(EFV)的三种RT大分子体系分别进行了100 ns的长时间动力学模拟。通过分析EFV对RT结构的影响、不同残基柔性和不同体系构象的动力学行为等,发现EFV的结合会导致RT结构变化,从而影响RT的活性,证实了EFV的“分子楔”作用;整个模拟过程中,没有出现不同构象间的跃迁,但是无别构分子时的RT张开构象表现出明显的闭合倾向。这些结果有助于理解NNRTIs的抑制机制和RT构象变化的动力学性质。另外,还比较分析了模拟方法对计算结果的影响,这个工作对大分子体系的动力学模拟具有重要借鉴意义。其次,利用分子动力学方法分别对未结合和结合小分子2FX的PR抑制剂体系进行了100 ns的模拟,模拟计算中对每种体系均采用两种新的分子力场ff99SBildn和ff12SB。研究了2FX对体系构象的影响,比较了两体系在不同力场下的动力学行为,分析了两体系的均方根偏差和残基的B因子,最后采用MM-PB/GBSA两种方法计算了两体系的结合自由能。表明,两种力场计算的结果虽有差异,但都说明2FX的结合导致蛋白酶构象的变化,使得体系更加稳定,尤其是flap的柔性减弱,使得蛋白酶和抑制剂的结合更牢固;另外,还发现ff12SB力场动力学过程更稳定。最后,对未结合别构小分子和两个别构小分子1F1和4D9结合在不同位的3种PR抑制剂体系分别进行了分子动力学模拟。主要结论是,别构小分子结合到一个特定位置后,使蛋白酶结构轻微变化,其动力学行为更加稳定,可以使抑制剂和PR结合的更牢固,亲和力增强;而且发现两个别构小分子结合在不同别构位上的作用效果也不同。研究结果有助于设计新的别构抑制剂,期望能为进一步开发治疗艾滋病新的具有高亲和力的大分子或者别构抑制剂提供有用的理论信息。同时也期望我们模拟中所采取的策略也会对计算大的生物分子的其它工作者带来一定的启发。
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【学位授予单位】：山东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R978.7

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