【摘要】：艾滋病(AIDS)是由人類免疫缺陷病毒(HIV)引起,目前世界范圍內(nèi)主要流行HIV-1型,人感染HIV-1后,喪失免疫功能,進而威脅生命。HIV-1的復(fù)制是一個多階段過程,每一步都是成功復(fù)制的關(guān)鍵,每一步也就成為設(shè)計藥物的潛在目標(biāo)。其中,逆轉(zhuǎn)錄酶(RT)和蛋白酶(PR)在復(fù)制過程中扮演關(guān)鍵的角色,是發(fā)明anti-HIV/AIDS新藥的重要靶酶。然而,長期的用藥使HIV-1已進化出對現(xiàn)有藥物具有耐藥性的變異形式,為了提高感染HIV-1尤其那些感染MDR(multidrug resistance)突變株病人的長期治療效果,急需發(fā)展具有新機制的藥物。非活性位抑制劑(也稱為別構(gòu)抑制劑)被普遍認(rèn)為是一種極具發(fā)展前景的選擇,別構(gòu)抑制劑的優(yōu)點在于可以避免活性位或與之結(jié)合的底物的選擇壓力,它通過輕微改變受體構(gòu)象,使底物與受體活性位結(jié)合更牢固。因此發(fā)展別構(gòu)抑制劑可以拯救現(xiàn)行HIV-1藥物的效能,是藥物設(shè)計中的一種新的策略,也是當(dāng)前的前沿?zé)狳c課題。RT是一個由p66和p51兩個亞基組成的異二聚體,它可以催化病毒RNA基因組使之逆轉(zhuǎn)錄為雙鏈DNA病毒前體。以RT為靶治療艾滋病的藥物中,非核苷類RT抑制劑(NNRTIs),也稱為別構(gòu)抑制劑,結(jié)合在RT的非活性位,具有廣譜抗HIV-1耐藥性的特點,被認(rèn)為是一類具有前景的特效藥。然而,盡管目前實驗上已獲得了許多關(guān)于RT不同狀態(tài)的晶體數(shù)據(jù),但是還缺乏NNRTIs對RT作用機制的深入了解。PR是由兩條肽鏈組成的同質(zhì)二聚體,它能把前病毒加工為具有感染能力的病毒顆粒。目前所有治療艾滋病的PR藥物都是以其活性位為靶點進行抑制,Perryman等人對PR分子碎片藥物進行了系統(tǒng)性的篩選研究,發(fā)現(xiàn)其表面存在兩種新結(jié)合位,exo位和top位。小分子可以結(jié)合在PR表面的兩個結(jié)合位,并且有益于活性位抑制劑的結(jié)合。這一實驗結(jié)果為發(fā)展能結(jié)合到exo位和top位的具有高親和力的非活性位抑制劑分子開啟了一個新起點。但是別構(gòu)碎片如何影響PR構(gòu)象和對活性位抑制劑結(jié)合能的貢獻還都不清楚。分子動力學(xué)模擬提供了一種在原子水平上理解大分子運動細節(jié)的方法。然而,分子動力學(xué)方法的局限性也是顯然的,一是實際計算中模擬時間是有限的,使得模擬軌跡無法包括所有有意義的分子構(gòu)象(采樣問題),二是勢能函數(shù)的誤差可能使得動力學(xué)軌跡偏向不正確的構(gòu)象(力場問題),而且分子動力學(xué)模擬結(jié)果的可靠性還依賴于模擬方法和策略,如合適的力場、較小的步長、較長的模擬時間等都對計算結(jié)果有很大的影響。新的GPU大規(guī)模并行計算技術(shù)的出現(xiàn)為生物大分子模擬計算提供了更加高效的平臺;新力場的不斷2改進和合適的模擬策略都將有助于改進計算結(jié)果,得到更可信的信息。本論文用分子動力學(xué)模擬方法,采用新力場,使用GPU大規(guī)模并行計算技術(shù),利用Amber12程序包,分別研究了RT與別構(gòu)抑制劑和PR與別構(gòu)小分子間相互作用,得出了一些重要結(jié)果。首先,為了理解NNRTIs與RT的相互作用機制,對未結(jié)合和結(jié)合Efavirenz(EFV)的三種RT大分子體系分別進行了100 ns的長時間動力學(xué)模擬。通過分析EFV對RT結(jié)構(gòu)的影響、不同殘基柔性和不同體系構(gòu)象的動力學(xué)行為等,發(fā)現(xiàn)EFV的結(jié)合會導(dǎo)致RT結(jié)構(gòu)變化,從而影響RT的活性,證實了EFV的“分子楔”作用;整個模擬過程中,沒有出現(xiàn)不同構(gòu)象間的躍遷,但是無別構(gòu)分子時的RT張開構(gòu)象表現(xiàn)出明顯的閉合傾向。這些結(jié)果有助于理解NNRTIs的抑制機制和RT構(gòu)象變化的動力學(xué)性質(zhì)。另外,還比較分析了模擬方法對計算結(jié)果的影響,這個工作對大分子體系的動力學(xué)模擬具有重要借鑒意義。其次,利用分子動力學(xué)方法分別對未結(jié)合和結(jié)合小分子2FX的PR抑制劑體系進行了100 ns的模擬,模擬計算中對每種體系均采用兩種新的分子力場ff99SBildn和ff12SB。研究了2FX對體系構(gòu)象的影響,比較了兩體系在不同力場下的動力學(xué)行為,分析了兩體系的均方根偏差和殘基的B因子,最后采用MM-PB/GBSA兩種方法計算了兩體系的結(jié)合自由能。表明,兩種力場計算的結(jié)果雖有差異,但都說明2FX的結(jié)合導(dǎo)致蛋白酶構(gòu)象的變化,使得體系更加穩(wěn)定,尤其是flap的柔性減弱,使得蛋白酶和抑制劑的結(jié)合更牢固;另外,還發(fā)現(xiàn)ff12SB力場動力學(xué)過程更穩(wěn)定。最后,對未結(jié)合別構(gòu)小分子和兩個別構(gòu)小分子1F1和4D9結(jié)合在不同位的3種PR抑制劑體系分別進行了分子動力學(xué)模擬。主要結(jié)論是,別構(gòu)小分子結(jié)合到一個特定位置后,使蛋白酶結(jié)構(gòu)輕微變化,其動力學(xué)行為更加穩(wěn)定,可以使抑制劑和PR結(jié)合的更牢固,親和力增強;而且發(fā)現(xiàn)兩個別構(gòu)小分子結(jié)合在不同別構(gòu)位上的作用效果也不同。研究結(jié)果有助于設(shè)計新的別構(gòu)抑制劑,期望能為進一步開發(fā)治療艾滋病新的具有高親和力的大分子或者別構(gòu)抑制劑提供有用的理論信息。同時也期望我們模擬中所采取的策略也會對計算大的生物分子的其它工作者帶來一定的啟發(fā)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：山東師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：R978.7

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本文編號：2472696