【摘要】：多藥及毒性化合物外排(Multidrugand toxic compound extrusion,MATE)轉(zhuǎn)運(yùn)體家族通過細(xì)胞內(nèi)先前存在的H+或者Na+離子梯度將內(nèi)源性陽離子(endogenous cationic)、親脂性的物質(zhì)(lipophilic substances)和異型生物質(zhì)(xenobiotic)驅(qū)逐出細(xì)胞膜。在腫瘤細(xì)胞當(dāng)中,MATE轉(zhuǎn)運(yùn)體會(huì)排出多種結(jié)構(gòu)以及物理化學(xué)性質(zhì)不同的藥物分子�；谶@種機(jī)制,MATE轉(zhuǎn)運(yùn)體會(huì)引起細(xì)菌病原體和腫瘤細(xì)胞的多藥耐藥(multiple-drug resistance,MDR),極大地降低了抗腫瘤藥物和抗生素藥物對(duì)細(xì)菌病原體和腫瘤細(xì)胞的臨床治療功效。因此,MATE轉(zhuǎn)運(yùn)體作為一個(gè)非常重要的抑制多藥耐藥的藥物作用靶點(diǎn),已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注,對(duì)能夠抑制MATE轉(zhuǎn)運(yùn)體功能的抑制劑的尋找和研發(fā)已經(jīng)非常迫切。然而,由于對(duì)MATE轉(zhuǎn)運(yùn)體在分子水平上的工作機(jī)制知之甚少,因此,MATE轉(zhuǎn)運(yùn)體抑制劑的研發(fā)還沒有取得重大的進(jìn)展。在本論文中,我們通過分子動(dòng)力學(xué)模擬(Molecular Dynamics simulation)的方法探索了來自強(qiáng)烈火球菌(Pyrococcus furiosus)中的PfMATE轉(zhuǎn)運(yùn)體的工作機(jī)制、活性調(diào)節(jié)機(jī)制、環(huán)肽抑制劑(macrocyclic peptides inhibitors)對(duì)PfMATE轉(zhuǎn)運(yùn)體的抑制機(jī)理以及環(huán)肽抑制劑與PfMATE轉(zhuǎn)運(yùn)體之間的相互作用模式。本論文第一部分主要研究了在天冬氨酸Asp41不同的質(zhì)子化狀態(tài)下,PfMATE轉(zhuǎn)運(yùn)體的構(gòu)象調(diào)節(jié)機(jī)制。首先,分子動(dòng)力學(xué)模擬的結(jié)果表明PfMATE轉(zhuǎn)運(yùn)體的構(gòu)象變化主要發(fā)生在胞外域。其次,在Asp41不同的質(zhì)子化狀態(tài)下,PfMATE經(jīng)歷了不同的構(gòu)象調(diào)節(jié)模式并且形成了不同的構(gòu)象。在質(zhì)子化狀態(tài)下,PfMATE轉(zhuǎn)運(yùn)體經(jīng)歷了張開運(yùn)動(dòng)并且傾向于形成更加朝外張開的構(gòu)象。在去質(zhì)子化狀態(tài)下,PfMATE轉(zhuǎn)運(yùn)體在分子動(dòng)力學(xué)模擬過程中只存在以轉(zhuǎn)運(yùn)通道為軸的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),而在質(zhì)子化狀態(tài)下出現(xiàn)的更加朝外張開的構(gòu)象并沒有出現(xiàn)。該工作在原子水平上描述了在Asp41結(jié)合質(zhì)子時(shí)PfMATE轉(zhuǎn)運(yùn)體的構(gòu)象調(diào)節(jié)機(jī)制,有助于我們深入理解PfMATE轉(zhuǎn)運(yùn)體的工作機(jī)制。本論文第二部分主要研究了PfMATE轉(zhuǎn)運(yùn)體的活性調(diào)節(jié)機(jī)制。通過分子模擬方法分析在野生型和M173A/N180A/M206A突變狀態(tài)下PfMATE轉(zhuǎn)運(yùn)體的構(gòu)象調(diào)節(jié)機(jī)制,解釋PfMATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的活性調(diào)節(jié)機(jī)制。首先,主成分分析和運(yùn)動(dòng)式分析表明與在野生型狀態(tài)下相比,在M173A/N180A/M206A突變狀態(tài)下PfMATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在分子動(dòng)力學(xué)模擬過程中經(jīng)歷了不同的構(gòu)象,表明這些突變影響了PfMATE轉(zhuǎn)運(yùn)體的運(yùn)動(dòng)方式。其次,動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析和動(dòng)態(tài)相關(guān)性矩陣分析表明三個(gè)單點(diǎn)突變M173A/N180A/M206A破壞了PfMATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白正常的構(gòu)象調(diào)節(jié)方式,擾亂了PfMATE轉(zhuǎn)運(yùn)體正常的構(gòu)象調(diào)節(jié)路徑。本工作關(guān)于PfMATE轉(zhuǎn)運(yùn)體活性調(diào)節(jié)機(jī)制的研究對(duì)能夠抑制PfMATE轉(zhuǎn)運(yùn)體轉(zhuǎn)運(yùn)活性的抑制劑的設(shè)計(jì)提供了很有價(jià)值的線索。本論文第三部分主要研究了環(huán)肽抑制劑MaD5對(duì)PfMATE轉(zhuǎn)運(yùn)體的抑制機(jī)理。首先,我們疊合了原蛋白體系和抑制劑結(jié)合體系在分子動(dòng)力學(xué)模擬過程中的代表性結(jié)構(gòu),疊合結(jié)果從理論上驗(yàn)證了環(huán)肽抑制劑MaD5對(duì)PfMATE轉(zhuǎn)運(yùn)體的抑制活性。其次,構(gòu)象分析和動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析表明環(huán)肽抑制劑MaD5阻斷了PfMATE轉(zhuǎn)運(yùn)體正常的構(gòu)象調(diào)節(jié)路徑。最后,結(jié)合能計(jì)算結(jié)果表明環(huán)肽抑制劑MaD5的環(huán)狀頭部和位于PfMATE轉(zhuǎn)運(yùn)體N端的結(jié)合口袋之間的相互作用是環(huán)肽抑制劑MaD5和PfMATE轉(zhuǎn)運(yùn)體有很強(qiáng)結(jié)合能力的主要原因。該工作在理論上解釋了MaD5的抑制機(jī)理,對(duì)設(shè)計(jì)和篩選出更具潛力的環(huán)肽抑制劑有重要的意義。本論文的第四部分研究了環(huán)肽抑制劑與PfMATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的相互作用模式�；诜肿觿�(dòng)力學(xué)模擬、結(jié)合自由能計(jì)算、殘基能量分解等方法,我們對(duì)環(huán)肽抑制劑和PfMATE轉(zhuǎn)運(yùn)體的相互作用機(jī)制提出了新的認(rèn)識(shí)。能量計(jì)算結(jié)果表明PfMATE轉(zhuǎn)運(yùn)體活性位點(diǎn)的極性氨基酸在結(jié)合環(huán)肽抑制劑時(shí)扮演著關(guān)鍵的作用,而氫鍵相互作用和靜電相互作用是這些極性氨基酸和環(huán)肽抑制劑分子之間的關(guān)鍵相互作用。其中PfMATE轉(zhuǎn)運(yùn)體的Gln34和Arg284與環(huán)肽抑制劑分子尤其是MaD5分子之間有很強(qiáng)的靜電相互作用。另外,PfMATE轉(zhuǎn)運(yùn)體活性位點(diǎn)的疏水性殘基在結(jié)合環(huán)肽抑制劑時(shí)也起到比較重要的作用。值得注意的是在本工作中我們從理論上提出了一個(gè)與PfMATE轉(zhuǎn)運(yùn)體結(jié)合能力更強(qiáng)的環(huán)肽抑制劑的骨架,同時(shí)指出PfMATE轉(zhuǎn)運(yùn)體蛋白的Gln34和Arg284是在進(jìn)行骨架設(shè)計(jì)時(shí)需要關(guān)鍵考慮的殘基�？傊�,本論文通過分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了多藥轉(zhuǎn)運(yùn)體PfMATE的工作機(jī)制、活性調(diào)節(jié)機(jī)制、環(huán)肽抑制劑對(duì)PfMATE轉(zhuǎn)運(yùn)體的抑制機(jī)理以及環(huán)肽抑制劑與PfMATE的結(jié)合模式。這些研究對(duì)我們進(jìn)一步研究PfMATE轉(zhuǎn)運(yùn)體的多藥耐藥(MDR)機(jī)理并針對(duì)MATE轉(zhuǎn)運(yùn)體為靶標(biāo)設(shè)計(jì)新的更有效的抑制劑具有非常重要的意義。
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【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：R91
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本文編號(hào)：2368477