【摘要】：環(huán)肽因其在序列和成環(huán)方式上的多樣性,顯示出豐富的結(jié)構(gòu)多樣性與功能多樣性,在生化研究中扮演越來越重要的角色,如自組裝形成納米管結(jié)構(gòu)、與靶點(diǎn)蛋白結(jié)合參與代謝調(diào)控等。本論文以分子動(dòng)力學(xué)模擬為主要手段,在微觀至介觀尺度上對(duì)特定類型環(huán)肽與小分子、磷脂膜和蛋白質(zhì)等物質(zhì)之間的相互作用進(jìn)行了理論研究。具有左/右旋交替殘基序列的首尾環(huán)肽可形成平環(huán)構(gòu)象,平環(huán)間可反平行上下堆疊組裝成納米管結(jié)構(gòu),納米管空腔可用于遞送貨物分子。采用Amber全原子力場(chǎng)對(duì)c[-(Aa)5-]自組裝環(huán)肽納米管結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬,結(jié)果表明c[-(Aa)5-]反平行二聚體、八聚體和無限長納米管在298 K常溫和373 K高溫條件下均未發(fā)生解聚。反平行β-折疊片之間的單個(gè)氫鍵處于動(dòng)態(tài)的生成和湮滅過程,但瞬時(shí)氫鍵總數(shù)足夠維持納米管結(jié)構(gòu)不被破壞。通過傘狀取樣模擬繪制四甲基銨、膽堿和乙酰膽堿從外部水環(huán)境進(jìn)入c[-(Aa)5-]反平行八聚體中心的平均力勢(shì)曲線,結(jié)果顯示三者進(jìn)入過程的勢(shì)能均呈在波動(dòng)中下降的趨勢(shì),說明自組裝環(huán)肽納米管理論上具備遞送此三種貨物分子的能力。自組裝環(huán)肽納米管遞送乙酰膽堿可成為治療阿爾茨海默癥的潛在方案。然而,具有疏水側(cè)鏈的自組裝環(huán)肽納米管才能形成穩(wěn)定跨膜通道,為揭示疏水型納米管跨膜機(jī)制,采用Martini粗�；�(chǎng)系統(tǒng)考察了單體到八聚體聚合度下的c[-(Wl)4-]和c[-(Ql)4-]自組裝環(huán)肽納米管與DPPC甘油磷脂雙分子層相互作用形成跨膜通道的能力,結(jié)果顯示c[-(Wl)4-]納米管與DPPC脂雙層接觸后會(huì)首先水平浸沒入脂雙層,然后通過調(diào)整傾角來自發(fā)形成跨膜納米管通道,四聚體是c[-(Wl)4-]形成跨膜納米管通道的臨界聚合度;c[-(Ql)4-]納米管在所有聚合度下均無法形成橫跨DPPC脂雙層的通道結(jié)構(gòu)。傘狀取樣模擬顯示提升聚合度導(dǎo)致c[-(Wl)4-]納米管跨膜過程勢(shì)能降低;導(dǎo)致c[-(Q1)4-]納米管跨膜過程勢(shì)能升高。c[-(Wl)4-]納米管形成跨膜通道后,納米管周邊的DPPC分子會(huì)進(jìn)行調(diào)整與納米管結(jié)構(gòu)相互契合,從而維持跨膜通道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。此部分研究為設(shè)計(jì)新型跨膜納米管通道提供了理論依據(jù)。兩親型自組裝環(huán)肽納米管可通過毯式模型作用機(jī)制對(duì)細(xì)菌細(xì)胞膜和動(dòng)物細(xì)胞膜表現(xiàn)出選擇破壞性,推測(cè)其選擇性與細(xì)胞膜特征參數(shù)相關(guān)。為驗(yàn)證上述推測(cè),構(gòu)建包括 DPPE/DPPG、POPE/POPG、DOPE/DOPG 和 DPPC/DPPG、POPC/POPG、DOPC/DOPG在內(nèi)的一系列Martini粗�；旌现p層并進(jìn)行NPγT平衡模擬,系統(tǒng)考察了疏水尾端、極性頭端和表面張力對(duì)二元混合脂雙層的平衡特征參數(shù)所帶來的影響。結(jié)果顯示同等疏水尾端和極性頭端條件下,表面張力越大脂雙層越薄;同等表面張力和極性頭端條件下,脂雙層厚度按DPPXPOPXDOPX順序遞減;同等表面張力和疏水尾端條件下,脂雙層厚度按照PEPGPC順序遞減。對(duì)所有類型脂雙層進(jìn)行匯總分析顯示脂雙層厚度、平面密度和有序度三個(gè)特征參數(shù)呈正相關(guān)性,其中脂雙層厚度與平面密度呈線性關(guān)系。c[-(Kl)4-]不會(huì)導(dǎo)致脂雙層破裂,c[-(Wl)2-(Wr)-(Rk)-]破裂脂雙層的臨界時(shí)間期望值與脂雙層平面密度呈指數(shù)關(guān)系。此部分研究為評(píng)估自組裝環(huán)肽抗生素選擇性提供了定性指標(biāo)。西侖吉肽是典型環(huán)肽藥物,其研發(fā)過程非常具有指導(dǎo)意義。為建立研發(fā)環(huán)肽藥物的通用分子對(duì)接與虛擬篩選方法,以Amber全原子力場(chǎng)模擬獲取西侖吉肽骨架構(gòu)象空間,并開展骨架構(gòu)象空間與受體整合素αvβ3的分子對(duì)接,經(jīng)虛擬篩選后得到了與西侖吉肽晶體構(gòu)象接近的對(duì)接構(gòu)象,驗(yàn)證了從分子動(dòng)力學(xué)模擬獲取環(huán)肽骨架構(gòu)象空間并將之用于分子對(duì)接的可行性。以另一種Ⅱ型糖尿病靶點(diǎn)蛋白二肽基肽酶-Ⅳ為測(cè)試對(duì)象,以直鏈三肽和四肽庫APX/APXX為配體進(jìn)行初次對(duì)接和虛擬篩選,得到19條對(duì)二肽基肽酶-Ⅳ具有潛在抑制性的直鏈肽三肽和四肽序列。基于此19條直鏈三肽和四肽構(gòu)建序列為CPXGGGGC和CPXXGGGC的二硫鍵環(huán)肽,并經(jīng)分子動(dòng)力學(xué)模擬獲取其各自骨架構(gòu)象空間。對(duì)19條二硫鍵環(huán)肽的骨架構(gòu)象空間進(jìn)行二次分子對(duì)接和虛擬篩選,得到對(duì)二肽基肽酶-Ⅳ的IC50值為256 μM的二硫鍵環(huán)肽序列CPWGGGGC。此部分研究建立了環(huán)肽藥物的理論設(shè)計(jì)方法。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院過程工程研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O629.72
【圖文】：

肽指相鄰氨基酸之間氨基和羧基脫水縮合形成的聚合物。如果對(duì)肽的氨基逡逑酸殘基個(gè)數(shù)進(jìn)行細(xì)分，殘基數(shù)２－２０之間是為寡肽，２１－５０之間是為多肽，５１以逡逑上是為蛋白質(zhì)（圖１．１）。逡逑＼邋Ｏｌｉｇｏｐｅｐｔｉｄｅ邋｜邐Ｐｏｌｙｐｔｉｄｅ邐｜邋吸丨⑴邐逡逑２邐２０邐５０邋Ｒｅｓｉｄｕｅ邋ｃｏｕｎｔｓ逡逑圖１．１肽按照氨基酸殘基個(gè)數(shù)進(jìn)行的分類逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｐｅｐｔｉｄｅｓ邋ｂａｓｅｄ邋ｏｎ邋ａｍｉｎｏ邋ａｃｉｄ邋ｒｅｓｉｄｕｅ邋ｃｏｕｎｔｓ逡逑過去幾十年里，臨床前藥物的研發(fā)模式經(jīng)歷了若千次重大改變。盡管如此，逡逑化學(xué)小分子藥物的研發(fā)一直占據(jù)統(tǒng)治地位。但隨著新型藥物的不斷上市，有效逡逑的構(gòu)象空間（ｃｏｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｌ邋ｓｐａｃｅ）開采殆盡，化學(xué)小分子藥物研發(fā)的機(jī)會(huì)成本逡逑變得越來越高，風(fēng)險(xiǎn)也越來越大。有鑒于此，藥物化學(xué)家正在逐漸把研究興趣逡逑轉(zhuǎn)移到肽分子層面。相較于化學(xué)小分子而言，肽分子有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：（１）制備逡逑肽分子所需固相合成技術(shù)己經(jīng)非常成熟。（２）肽分子通過調(diào)整主鏈ｃｐ￣二面角逡逑以及側(cè)鏈Ｘ二面角，可形成豐富的構(gòu)象空間，且肽的構(gòu)象空間大部分尚未被探逡逑索。（３）肽的降解產(chǎn)物為氨基酸，生物毒性低或沒有。逡逑盡管肽分子存在諸多優(yōu)勢(shì)

或側(cè)鏈端）共價(jià)連接所形成的閉合環(huán)狀結(jié)構(gòu)，大多數(shù)環(huán)肽的殘基個(gè)數(shù)分布在寡邐．逡逑肽區(qū)域（圖１．１）。環(huán)肽成環(huán)方式多種多樣，標(biāo)準(zhǔn)氨基酸的三個(gè)功能基團(tuán)之間除逡逑氮端－氮端、碳端－碳端無法共價(jià)連接外，其他共價(jià)連接方式均可實(shí)現(xiàn)（表１．１）。逡逑如果引入特殊氨基酸，環(huán)肽序列、成環(huán)方式和構(gòu)象空間會(huì)在此基礎(chǔ)上增加一個(gè)逡逑數(shù)量級(jí)。逡逑表１．１標(biāo)準(zhǔn)氨基酸成環(huán)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邐Ａｍｉｎｏ邋ａｃｉｄｓ邋ｐａｒｔｉｃｉｐａｔｅ邋ｉｎ邐Ｂｏｎｄ邋ｐａｒｔｉｃｉｐａｔｅｓ邋ｉｎ逡逑邐ｃｙｃｌｉｚａｔｉｏｎ邐ｃｙｃｌｉｚａｔｉｏｎ邐逡逑Ｃ邋ｔｅｒｍｉｎｕｓ－Ｎ邋ｔｅｒｍｉｎｕｓ邐Ａｒｂｉｔｏｒｙ邋ａｍｉｎｏ邋ａｃｉｄｓ邐Ｐｅｐｔｉｄｅ邋ｂｏｎｄ邐逡逑Ｃｙｓ－Ｃｙｓ邐Ｄｉｓｕｌｆｉｄｅ邋ｂｏｎｄ逡逑Ｓｉｄｅ邋ｃｈａｉｎ－ｓｉｄｅ邋ｃｈａｉｎ邐Ａｓｐ／Ｇｌｕ－Ｌｙｓ邐Ｐｅｐｔｉｄｅ邋ｂｏｎｄ逡逑Ａｓｐ／Ｇｌｕ－Ｓｅｒ／Ｔｈｒ邐Ｅｓｔｅｒ邋ｂｏｎｄ邐逡逑Ｓｉｄｅ邋ｃｈｉａｎ－Ｎ邋ｔｅｒｍｉｎｕｓ邐Ａｓｐ／Ｇｌｕ－Ｎ邋ｔｅｒｍｉｎｕｓ邐Ｐｅｐｔｉｄｅ邋ｂｏｎｄ邐逡逑Ｃ邋ｔｅｒｍｉｎｕｓ－ｓｉｄｅ邋ｃｈａｉｎ邐Ｃ邋ｔｅｒｍｉａｕｓ－Ｌｙｓ邐Ｐｅｐｔｉｄｅ邋ｂｏｎｄ逡逑邐Ｃ邋ｔｅｍｕｎｕｓ－Ｓｅｒ／Ｔｈｒ邐Ｅｓｔｅｒ邋ｂｏｎｄ邐逡逑直鏈肽閉環(huán)后

而ｐ－螺旋單體長度不足以橫跨細(xì)胞膜形成離子通道，研究者進(jìn)而猜測(cè)短桿菌肽逡逑是以氮端頭碰頭形式組成Ｐ－螺旋二聚體（Ｕｒｒｙ，邋１９７１）。該二聚體跨膜孔道結(jié)逡逑構(gòu)假說后來經(jīng)由固態(tài)核磁共振證實(shí)（圖１．３）邋（Ｋｅｔｃｈｅｍ等．，１９９６；邋Ｋｅｔｃｈｅｍ等．，逡逑１９９３）。逡逑懰逡逑圖１．３短桿菌肽Ａ二聚體逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．３邋Ｇｒａｍｉｃｉｄｉｎ邋Ａ邋ｄｉｍｅｒ逡逑基于短桿菌肽二聚體跨膜孔道結(jié)構(gòu)假說可以合理推測(cè)，由左旋氨基酸和右逡逑旋氨基酸交替排列構(gòu)成的首尾相連環(huán)肽，理論上可以上下堆疊組裝在一起，形逡逑成類似于反平行Ｐ－折疊片的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)（ｄｅＳａｎｔｉｓ等．，１９７４）。其后有研究者合逡逑成了從四元環(huán)到八元環(huán)的一系列環(huán)肽，對(duì)環(huán)肽納米管假設(shè)進(jìn)行了驗(yàn)證，不過最逡逑早的實(shí)驗(yàn)只檢測(cè)到了氫鍵，并未得到形成環(huán)肽納米管的直接證據(jù)（Ｔｏｍａｓｉｃ和逡逑Ｌ0ｒｅｎｚｉ，１９８７）。首例報(bào)道的可自組裝形成納米管結(jié)構(gòu)的環(huán)肽序列為ｃ［－（Ｑａ－Ｅａ）２－］逡逑（ＳＣＰ１），實(shí)驗(yàn)成功之處在于引入了谷氨酸，通過調(diào)節(jié)溶液ｐＨ可控制環(huán)肽的逡逑４逡逑

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本文編號(hào)：2792698