有机配体靶向DNA G-四链体的分子模拟研究

【摘要】：DNA G-四链体因其能够抑制端粒酶的活性以及致癌基因的表达,已成为抗癌药物研究的新靶点。然而目前多数DNA G-四链体配体因对不同结构的G-四链体选择性差而阻碍了其临床应用。G-四链体结构沟槽的多态性,以及与B-DNA沟槽结构的差异性,使针对DNA G-四链体沟槽的药物设计成为人们研究的热点。然而由于实验手段的限制,对配体与DNA G-四链体沟槽作用机制还不清楚。分子模拟技术在研究药物与靶点之间相互作用机制方面,展示了实验不可比拟的优势。本论文中,主要采用分子力学、分子动力学、分子对接等模拟方法,在DNA G-四链体沟槽位点的结构,药物配体与不同G-四链体沟槽的作用机制等方面进行了研究,通过探讨配体与沟槽相对长度、沟槽宽度以及配体的构型等因素对配体在DNA G-四链体沟槽中作用的影响,为针对不同DNA G-四链体沟槽的药物设计提供理论依据。另外,本论文还研究了哌啶类拮抗剂对hCCR3/hCCR1受体的选择性作用机制,为选择性hCCR3受体拮抗剂的结构修饰和改造提供理论依据。 本论文的主要内容包括： 1、利用分子动力学、量子化学计算等手段研究了Dist-A二聚体在不同长度平行型DNA G-四链体沟槽中的作用机制,发现Dist-A二聚体在d[TGGGGT]4序列形成的G-四链体沟槽中,能够很好地契合在四链体沟槽的底部,并且Dist-A的酰胺基末端能够与沟槽3’末端鸟嘌呤碱基上的N3形成稳定的氢键；而在d[GGGGGG]4序列形成的更长的G-四链体鸟嘌呤沟槽中,Dist A二聚体明显移向5'末端,其中配体L2的酰胺基末端从沟槽中间移出。动力学模拟结果表明,Dist A二聚体与沟槽末端的鸟嘌呤碱基有更好的结合能力。为进一步探讨构成G-四链体沟槽的鸟嘌呤碱基的性质,利用密度泛函方法计算了三层连续G-四集体鸟嘌呤核心的自然电荷(NBO电荷),发现由于金属阳离子的存在,中间层06原子的负电荷比末端的06原子多0.05|e|,而面向沟槽的N3原子负电荷相应减少。表面静电势计算结果也表明,中间层G-四集体具有比末端更偏正的静电势。中心金属阳离子的存在对连续G-四集体鸟嘌呤核心的电子性质造成的这种影响,使沟槽末端对阳离子配体的结合更有利。这项研究提出了药物在平行型G-四链体沟槽中结合的影响因素,对基于平行型DNA G-四链体沟槽的药物设计具有重要的指导意义。 2、利用分子对接、分子动力学等手段研究了Dist-A及其衍生物B与反平行型端粒DNA G-四链体的作用机制,结果表明Dist-A主要通过平面堆积方式作用在反平行型端粒DNA G-四链体的末端；而Dist-A衍生物B则由于更长的链状结构,使其通过平面堆积和沟槽结合共同作用的方式与反平行型端粒DNA G-四链体作用。MM GBSA计算进一步表明,Dist-A衍生物B在反平行型端粒DNA G-四链体宽沟槽位点的结合具有最好的稳定G-四链体作用。 3、利用分子对接、分子动力学等手段研究了类固醇衍生物(Steroid FG)与杂化型端粒DNA G-四链体和B-DNA的作用机制,比较了Steroid FG在两种沟槽中作用的差异性。结果表明Steroid FG在杂化型端粒DNA G-四链体中处于沟槽和侧面loop共同形成的疏水区,以稠合四环上的两个甲基面向沟槽的方式,通过疏水和范德华作用结合；而在B-DNA中,配体的稠合四坏凹侧冲向沟槽底部的碱基,通过两端的氨基与DNA形成氢键,使配体稳定在TA小沟槽区。MM_PBSA计算表明SteroidFG在杂化型端粒DNA G-四链体中有更低的结合自由能。此项研究不仅探讨了结构特殊的类固醇类药物与端粒DNA G-四链体的相互作用机制,并且指出了其对端粒DNA G-四链体具有更好选择性的原因,对发展新型靶向端粒G-四链体沟槽配体具有积极的指导意义。 4、利用配体支持同源模建(ligand-supported homology modeling)方法,以牛视网膜紫质X射线衍射晶体结构为模板,参考定位突变实验数据,模建了拮抗剂键合(antagonist-bound)的人类趋化因子受体hCCR3和(?)hCCR1的三维结构模型。并将一系列1,4-二取代哌啶类拮抗剂分别对接进精致的hCCR3和hCCR1受体模型中,以配体在hCCR3中的结合自由能理论值对-IgIC50值做线性回归,确定性系数R2为0.94,证明模型是合理的。分析对接结果发现配体主要通过疏水芳香作用与hCCR3和hCCR1受体结合,而4-苄基哌啶类拮抗剂对hCCR3受体产生选择性的主要原因在于配体的哌啶环与hCCR3和hCCR1受体中Tyr255 (TM7)的苯酚侧链不同的作用方式。而且hCCR3中处于结合口袋的EL2区的疏水性也为拮抗剂对hCCR3受体的选择性做出了贡献。这些结果可以为hCCR3受体选择性拮抗剂的发现及结构改造提供理论依据。