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基于分子模拟方法的激酶与其抑制剂的相互作用机理研究

杨颖  
【摘要】:与人类重大疾病相关的药物靶标的发现及其药物的研发是靶向治疗研究中的重要环节。蛋白激酶在新药研发,尤其是抗肿瘤药物的研发中,是一类重要的靶点,因为它们在一些生理机制的调控中负担重要的角色,包括对细胞的增殖、分化和代谢过程的调控。通过专一的抑制剂阻止细胞的激活和增殖从而阻断信号通路,有益于治疗各种疾病,包括癌症。因此,以蛋白激酶为靶点开发高效的、选择性的抗肿瘤药物已经成为研究热点。随着计算机技术的应用和信息科学的迅猛发展,分子模拟方法作为药物研发的重要技术和工具,被应用于潜在靶点蛋白的功能、作用机制和相关作用的信号通路的研究中,发挥了其独特的优势,起到实验无法替代的作用,并可以与实验手段进行很好的互补,推动了这一研究领域的长足发展。定量构效关系、分子对接、药效团模型、分子动力学模拟、自由能计算和分子力学与量子力学相结合(QM/MM)等多种分子模拟和药物设计方法,均被成功应用于计算机辅助激酶抑制剂的设计以及激酶作用机制的研究中。本论文应用多种分子模拟的方法(3D-QSAR、分子对接、分子动力学模拟和自由能计算等)研究蛋白激酶和药物小分子的复合体系。基于配体的角度,我们主要研究了药物小分子的结构特征同其生物活性之间的关系;基于受体的角度,我们主要从生物大分子与药物小分子之间的相互作用来考察抑制机理和寻找药物活性成因及差异的分子机制。 本论文的第一章概述了靶向治疗的关键蛋白靶点,对其分类,功能结构及其抑制剂的相关研究进展,并对常见的分子模拟和药物设计方法进行了简单介绍,包括定量构效关系、药效团、分子对接、分子动力学模拟和结合自由能计算等。同时通过总结了这些方法在蛋白激酶及其抑制剂的药物设计和相关作用机理研究中的应用。 突变型V600EB-RAF激酶是高频的致癌蛋白激酶的突变体,是治疗恶性黑素瘤的非常有前景的靶点。在论文的第二章中,我们运用QPLD (QM-Polarized ligand docking)分子对接、分子动力学模拟、自由能计算和3D-QSAR(三维定量构效关系)方法研究了一系列吡啶并咪唑啉酮(pyridoimidazolone)衍生物的V600EB-RAF激酶抑制剂产生高的抑制活性所需的结构特征及其与V600EB-RAF的结合模式,通过QPLD对接产生的活性构象建立了CoMFA和CoMSIA模型。所获得的模型具有很好的内部和外部预测能力。我们进一步应用分子动力学模拟和结合自由能计算研究了抑制剂和靶点的相互作用模式,比较了不同活性的抑制剂间的结合模式的差异。结合自由能计算采用MM/PBSA(molecular mechanics/Poisson-Boltzmann surface area)的方法,预测值与实验活性很好地相关。MM/GBSA自由能残基能量分解揭示了范德华相互作用提供了抑制剂与V600EB-RAF相互作用的主要驱动力。抑制剂与V600EB-RAF的残基Glu501和Asp594所形成的氢键相互作用能够帮助稳定激酶的非活性的DFG-out构象。本工作的研究结果为开发新的V600EB-RAF抑制剂的结构的修饰和改造提供了重要的理论指导。 p38丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)是抗炎症治疗中的潜在药物靶点。尽管针对激酶的DFG-out构象设计Ⅱ型抑制剂已经引起极大的研究关注,但是与之结合的结构基础和稳定DFG-out构象的抑制机理方面的研究并不多见。典型的Ⅱ型或者变构激酶抑制剂Imatinib, Sorafenib, BI-1和BIRB-796与人类p38α激酶的DFG-out构象所结合。鉴于这种变构抑制对于设计有效的选择性的激酶抑制剂具有重要的意义,在论文的第三章中,我们采用分子动力学模拟对Imatinib, Sorafenib, BI-1和BIRB-796与p38α的结合模式和相互作用进行了研究。结合自由能的计算采用MM/PBSA的方法,预测的结合亲和能很好地解释了所研究的抑制剂间的活性差异。而且进一步的结合自由能残基能量分解和结构分析揭示了范德华相互作用对于结合的主导效应,残基Lys53, Gly71, Leu75, Ile84, Thr106, Met109, Leu167, Asp168和Phe169在与p38α的DFG-out构象结合所形成的氢键、盐桥和疏水相互作用中起到的关键作用。最后我们将BI-1,Imatinib和Sorafenib与p38α的结合模式分别同BIRB-796与p38α的结合模式进行了详细的比较,利用分析结果获取p38抑制剂的有效性和选择性信息。这些结果将有助于新颖的Ⅱ型p38抑制剂的合理设计。 由于所有蛋白激酶的ATP结合位点存在高度的保守性,寻求选择性的激酶抑制剂在药物研发中日益紧迫。极光激酶家族代表了针对癌症治疗的一类有吸引力的潜在药物靶点,一些以极光激酶为靶点的小分子抑制剂已经进入临床试验阶段。这些抑制剂当中,MLN8054被证明是Aurora-A激酶的选择性小分子抑制剂,目前已经进入治疗晚期实体瘤患者的临床一期评估。但是,MLN8054针对Aurora-A和Aurora-B亚型间的选择性机理仍然不是很清楚。在论文的第四章中,我们运用分子动力学模拟和结合自由能计算探索MLN8054对极光激酶的亚型选择性机理。所预测的MLN8054与Aurora-A和Aurora-B的结合构象及亲合能结果说明MLN8054与Aurora-A被诱导的DFG-up构象的结合具有更强的相互作用,这种DFG-up构象不同于通常的"DFG-in"和"DFG-out"构象。进一步的结构与残基能量分解分析揭示了选择性机理的结构基础。MLN8054与Aurora-A结合诱导活化环区采取不寻常的DFG-up构象致使结合位点的疏水口袋被打开,因此,增强了MLN8054与Aurora-A的残基Va1279的相互作用。Aurora-B的残基Glu177对MLN8054有静电排斥作用,而相应的Aurora-A的残基Thr217则与MLN8054形成了有利的相互作用。Aurora-A和Aurora-B的结合口袋间的差异和构象变化是决定选择性的关键因素。这些结果将有助于选择性的Aurora-A激酶抑制剂的合理设计。 p38丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)和丝裂原活化蛋白激酶激活蛋白激酶2(MAPK-activated protein kinase2, MK2)形成的信号复合物在生理过程中与促炎症因子的产生等细胞应答密切相关。p38α与MK2的相互作用对于这个信号传导具有重要的作用。在论文的第五章中,我们将分子动力学模拟、域运动分析和自由能计算相结合的方法应用到MK2-p38α信号复合物的体系中,研究这两个蛋白激酶间的蛋白-蛋白相互作用(protein-protein interaction, PPI)。通过基于主成分分析(principal component analysis, PCA)的结果,我们进行了动态域运动分析,揭示了在相互作用过程中未结合状态的和结合状态的蛋白质的构象变化。MK2的结构域包括活化环区、αF-I螺旋和C-端的α螺旋间的环区具有较高的柔性,在与p38a结合后产生了较大的构象变化。MM/PBSA或MM/GBSA (molecular mechanics Poisson-Boltzmann and generalized-Born surface area)的方法计算了MK2-p38α复合物形成的结合自由能。这一结算结果揭示了静电作用能不利于MK2-p38α复合物的形成。通过对MK2与p38a结合的相互作用界面上的残基的能量贡献进行了结合自由能的分解,我们识别出了对PPI有重要贡献的氨基酸残基。


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