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抗血栓抗体6B4、假性血友病因子及其蛋白酶ADAMTS13的分子动力学模拟

方翔  
【摘要】:作为当前发达国家致死率最高的病因之一,急性动脉血栓会导致致命的心肌梗塞(也称为心脏病突发)和中风。血小板粘附到血管受损部位是生理性止血和病理性血栓的关键过程。血小板粘附是一个包括拴缚、滚动和紧密粘附的多步骤级联反应,是由不同的受体与配体之间的各种相互作用所介导的。其中,血小板糖蛋白GPIbα和假性血友病因子(von Wiilebrand Factor,vWF)的A1结构域之间的相互作用能使血小板细胞从血流高剪切力环境下拴缚到固定在内皮基质胶原表面的vWF上,在血小板粘附过程中扮演了极为重要的角色。抑制GPIbα结合到A1上能够阻止病理性血栓而不会显著干扰正常的止血功能。因此,GPIbα成为了抗血栓单克隆抗体的重点关注的靶点。 另一方面,作为一个重要的多体血浆糖蛋白,vWF包含有三个连续的A结构域。A1结构域与GPIbα相结合;A2结构域包含金属蛋白酶ADAMTS13的酶切位点;A3结构域能够结合到III型胶原上。ADAMTS13(带有1型反应蛋白的类解聚素和金属蛋白酶13号模体)能够酶切A2结构域中心的肽键(Tyr1605-Met1606之间),把超大vWF转化为更小,反应性更弱的血浆vWF。ADAMTS13遗传性或获得型的缺陷会导致超大vWF多聚体的聚集,导致可危及生命的血栓性血小板减少性紫癜(TTP)。相反,一些发生在A2结构域内的突变会增强对vWF的酶切。过度的酶切会导致2A型假性血友病(vWD),一种定性的出血紊乱病症。 在靶向人源GPIbα的各种抗血栓单抗中,6B4是一种效果很强的抗体,能够在静态和流体条件下抑制GPIbα和A1之间的相互作用。研究抗血栓单抗的传统方法是采用突变实验来标定互补位和表位,费用通常较为昂贵,也较为耗时。在“稳定的氢键和盐桥是互补位与表位残基之间重要的联系”这一假设基础上,本研究提出了一种全新的计算机方法来鉴别6B4上关键的互补位残基和它们在GPIbα上对应的表位残基,该方法综合了同源模建、刚性对接,自由动力学模拟和拉伸分子动力学模拟技术。基于6B4与GPIbα结合的最佳复合物模型,所有检测到的氢键和盐桥的生存率和断裂时间都已分别通过自由和拉伸分子动力学模拟计算出来,并分别指定为键的热稳定性和力学稳定性指标。5个主要的互补位残基以及它们对应的结合体因为成键的生存率较高,断裂时间较长或氢键稳定性指数排在前五位而被预测出来。令人兴奋的是,现有的结果与先前的突变实验结果能够较好地吻合,表明本研究提出的新方法在研究受体配体相互作用、各种抗血栓单克隆抗体(以及其他抗体)和生物分子药物的理性设计方面都有较为广阔的应用前景。 为了在生理条件下研究vWF-A2结构域的结构特性,我们对vWF的A1、A2和A3结构域进行了自由动力学模拟。结果表明,由于缺乏连接N和C末端的二硫键,A2分子会逐步变得松散。此外,A3分子比A1和A2更加柔软。我们也通过低速SMD模拟研究了A2分子的解折叠细节。另一方面,为了理解A1与A2之间的相互作用,我们通过柔性对接方法构建了一个A1-A2复合物模型。该模型的构象与现有的实验结果相符合。在该模型中我们探测到了8个分子内氢键和盐桥,从中预测出了结合有关的关键残基。 ADAMTS13的spacer结构域包含有一个重要的exosite,后者能够和A2结构域的α6螺旋相结合。然而,在A2解折叠之前无法发生任何相互作用,因为α6螺旋在原生的A2中是隐藏的。为了理解spacer和α6相互作用的分子机制,在“α6的解折叠(或伸长)程度会对结合强度有显著影响”这一假设基础上,我们发展了两种全新的SMD-对接方法(先对接后拉伸和先拉伸后对接)来预测spacer-α6复合物的模型。结果表明了一个二相的类型特征:随着α6的长度增加,结合强度首先增强,在0.25nm伸长量下达到最优值,此后反而降低。界面面积和分子间盐桥的变化能够作为这一特性的分子基础。因此,在结合时,spacer也许会偏好一个部分解折叠(或伸长)的α6构象,导致最佳接触和酶切。 总之,我们通过生物信息学分析和分子动力学模拟相结合的方法标定了6B4上的互补位残基和GPIbα上的表位残基,结果与突变实验结果基本一致。此外,我们还引入了两种全新的SMD-对接方法来研究spacer结构域和α6螺旋之间的相互作用,发现相互作用的变化趋势与已有的研究成果基本符合。这些工作或许能为突变实验和抗血栓药物的设计提供见解。


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