【摘要】：蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)是生命科學(xué)中兩個(gè)正在快速發(fā)展的新興領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)輔助蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)能夠通過能量函數(shù)約束的構(gòu)象搜索優(yōu)化過程,對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和功能進(jìn)行創(chuàng)新性的改造,實(shí)現(xiàn)特定的設(shè)計(jì)目的;網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、物理學(xué)等學(xué)科的知識(shí),從海量的生物學(xué)、藥學(xué)數(shù)據(jù)中提取有效知識(shí),指導(dǎo)藥物靶標(biāo)發(fā)現(xiàn)和新藥研發(fā)。本論文從這兩個(gè)領(lǐng)域的基本方法論出發(fā),構(gòu)建相應(yīng)的研究方法并應(yīng)用于具體的研究案例,為探針設(shè)計(jì)、中藥方劑的作用機(jī)制闡明和活性化合物發(fā)現(xiàn)提供了新的思路和有價(jià)值的結(jié)果。具體研究?jī)?nèi)容簡(jiǎn)述如下:論文第一章對(duì)整個(gè)論文的研究背景、涉及到的研究方法、以及論文的總體安排進(jìn)行了概述。論文的第二章嘗試對(duì)cAMP和c-di-AMP的探針蛋白進(jìn)行了理論設(shè)計(jì)。cAMP和c-di-AMP均是生物體內(nèi)的第二信使,在機(jī)體生命活動(dòng)過程中具有重要的作用。對(duì)這些信使分子的靈敏監(jiān)測(cè),能夠?qū)崟r(shí)反映機(jī)體的生理狀態(tài),因而設(shè)計(jì)能探測(cè)這些信使分子的探針蛋白具有重要的意義。論文主要結(jié)合RosettaLigand和RosettaDesign,在配體-蛋白柔性對(duì)接過程中進(jìn)行結(jié)合位點(diǎn)氨基酸殘基突變,以尋找最優(yōu)序列。我們首先以提高Epac2蛋白與cAMP結(jié)合能力為目的進(jìn)行設(shè)計(jì),通過大量生成突變構(gòu)象,對(duì)接評(píng)價(jià)和結(jié)合模式分析,發(fā)現(xiàn)突變體I79R,V85R,C86N,A106H為優(yōu)勢(shì)序列。然后嘗試對(duì)c-di-GMP結(jié)合蛋白DGC進(jìn)行設(shè)計(jì),提高其對(duì)c-di-AMP的結(jié)合能力,發(fā)現(xiàn)突變體K45R,P46E,N48K,W80R,E84R為優(yōu)勢(shì)序列,這幾個(gè)氨基酸位點(diǎn)有可能會(huì)影響DGC與c-di-AMP/c-di-GMP的結(jié)合。相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證正在進(jìn)行中。中藥方劑通常包含多種中藥材,幾百甚至上千種化合物組分,具有復(fù)雜的藥理學(xué)效應(yīng)。如何分析方劑的分子機(jī)制,發(fā)現(xiàn)活性主成分,是中藥科學(xué)研究的重要問題。因此,論文的第三章,我們以治療阿爾茨海默病(AD)的中藥方劑天麻鉤藤飲為例,嘗試應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法闡明其分子機(jī)制。我們首先收集了方劑中各藥材的化學(xué)成分、上市藥物及其靶標(biāo)信息,構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型,然后采用我們前期發(fā)展的bSDTNBI方法,為494個(gè)方劑成分預(yù)測(cè)了 364個(gè)新靶標(biāo)。采用Fisher精確檢驗(yàn),確證了 12個(gè)與AD顯著相關(guān)的代表性化合物。對(duì)這些化合物的靶標(biāo)進(jìn)行KEGG通路富集,發(fā)現(xiàn)該方劑可能通過作用于神經(jīng)受體相互作用通路和炎癥因子TRP通道調(diào)控通路;調(diào)控ACHE、HTR2A、NOS2和TRPA1等關(guān)鍵基因;產(chǎn)生神經(jīng)保護(hù)和抗神經(jīng)炎癥作用,從而發(fā)揮AD治療效應(yīng)。最后,在蛋白-蛋白相互作用網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算了 AD和高血壓疾病模塊,發(fā)現(xiàn)了重疊基因子模塊。方劑可能通過作用于這些子模塊,產(chǎn)生多種藥理作用。前列腺癌已經(jīng)成為男性中最常見的癌癥之一,具有較高的致死率。雄激素和雄激素受體對(duì)前列腺癌的發(fā)展具有重要作用,常見的前列腺癌療法之一就是雄激素阻斷療法,因而發(fā)現(xiàn)潛在的雄激素受體拮抗劑對(duì)治療前列腺癌具有重要意義。論文的第四章應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法為93個(gè)具有樣品的新化合物進(jìn)行了潛在靶標(biāo)預(yù)測(cè)研究。我們首先構(gòu)建了包含12649個(gè)小分子和1799個(gè)靶標(biāo)的全局網(wǎng)絡(luò)模型,然后利用前述的bSDTNBI方法為這93個(gè)化合物預(yù)測(cè)潛在靶標(biāo)。通過聚類分析,這93個(gè)化合物被分為14組,我們發(fā)現(xiàn)多組化合物都具有潛在雄激素受體活性。然后我們從DrugBank數(shù)據(jù)庫(kù)收集了已知雄激素受體激動(dòng)劑和拮抗劑,基于Wilcoxon秩合檢驗(yàn)進(jìn)行相似性分析,發(fā)現(xiàn)第12組化合物最有可能為雄激素受體拮抗劑。最后采用酵母雙雜交和熒光素酶報(bào)告基因?qū)嶒?yàn)確證了第12組化合物中的M13、M14和M15具有拮抗活性,IC50值分別為4.969μM、3.446μM和0.407μM。進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化和生物實(shí)驗(yàn)仍在進(jìn)行中。論文最后一章為全文總結(jié)。
【圖文】：

的某部分）進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其能夠折疊成預(yù)期的結(jié)構(gòu)或者提高某些功能（也可能是創(chuàng)造新逡逑的功能），或者改變生物學(xué)性質(zhì)（如穩(wěn)定性）［１］。這一定義組成了計(jì)算蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)的復(fù)雜逡逑流程，包含了這一領(lǐng)域的許多方面（圖１．１）。逡逑ＣＰＤ邋Ｐｒｏｔｏｃｏｌ逡逑Ｔａｒｇｅｔ邐ＣＰＤ邐Ｅｎｅｒｇｙ邐Ｓｅａｒｃｈ邋＆邐ＣＰＤ逡逑ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｓ邋ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ邋ｆｕｎｃｔｉｏｎ邐ｓａｍｐｌｉｎｇ邐ｒｅｓｕｌｔ逡逑？邐Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邐？邋３Ｄ邋（ｇｌｏｂａｌ）邐？邋Ｖａｎ邋ｄｅｒ邋Ｗａａｌｓ邐？邋Ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ邐？Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑？邐Ｆｕｎｃｔｉｏｎ邐？邋Ｆｒａｇｍｅｎｔｓ邐？邋Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｓ邐？邋Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ邐？邋Ｆｕｎｃｔｉｏｎ逡逑？邐Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ邐？邋Ｓｅｑｕｅｎｃｅ邐？邋Ｓｏｌｖａｔｉｏｎ邐？邋Ｇｅｎｅｒａｔｅ邐？邋Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ逡逑？邐Ｓｉｚｅ邐？邋Ｎｅｇａｔｉｖｅ邐？邋Ｈ．ｂｏｎｄｉｎｇ邐ＧＭＥＣ邋／邐？邋Ｓｐｅｃｉｆｉｃｉｔｙ逡逑？邐Ｄｙｎａｍｉｃｓ邋ｒｕｌｅｓ邐？邋Ｃｏｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ邋ｅｎｓｅｍｂｌｅ逡逑？邋Ｒｅｑｕｉｒｅｄ邐？邋Ｒｏｔａｍｅｒｓ邐ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ逡逑ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ邋？邋Ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ邋？Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ邐ｊ逡逑“邐ｔｅｒｍｓ邐’ｒ逡逑Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ邋ａｎｄ逡逑Ｏｐｔｉｏｎａｌ邋廠邋Ｎｏ邋？邋？邐邐—ｉ邐ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ逡逑＿邋ｓｅｍｉ－ｒａｔｉｏｎａｌ邋Ｊ邋ｒ－邐邋Ｉ邋ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ逡逑ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ邐Ｙｅｓ邋１邐

圖１．２邋ＲｏｓｅｔｔａＬｉｇａｎｄ基本工作流程丨丨７１逡逑Ｆｉｇ邋１．２邋Ｂａｓｉｃ邋ｗｏｒｋｆｌｏｗ邋ｏｆ邋ＲｏｓｅｔｔａＬｉｇａｎｄ１１７１逡逑ＲｏｓｅｔｔａＬｉｇａｎｄ通常用于進(jìn)行配體－蛋白柔性對(duì)接［１８］。如圖１．２所示，首先從用戶自定逡逑義的配體構(gòu)象集合中隨機(jī)挑出一個(gè)，放入指定的潛在結(jié)合位點(diǎn)中，然后先進(jìn)行低精度的逡逑形狀互補(bǔ)搜索，找到配體合適的位置，再進(jìn)行高精度對(duì)接，使用ＭＣ方法循環(huán)優(yōu)化側(cè)鏈逡逑氨基酸構(gòu)象和配體構(gòu)象。最后對(duì)整個(gè)配體和蛋白復(fù)合物進(jìn)行梯度優(yōu)化，輸出構(gòu)象。逡逑ＲｏｓｅｔｔａＤｅｓｉｇｎ方法通過交替進(jìn)行固定骨架的序列優(yōu)化和可變骨架的能量?jī)?yōu)化，同時(shí)優(yōu)化逡逑序列和結(jié)構(gòu)，進(jìn)行蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)。在序列設(shè)計(jì)階段，ＭＣＳＡ算法被用來(lái)采樣序列空間。每逡逑輪序列優(yōu)化進(jìn)行完之后，再對(duì)骨架進(jìn)行能量?jī)?yōu)化以適應(yīng)新設(shè)計(jì)的氨基酸序列。逡逑ＲｏｓｅｔｔａＤｅｓｉｇｎ的應(yīng)用包括：設(shè)計(jì)全新的蛋白，對(duì)已有蛋白的改造，，蛋白界面設(shè)計(jì)和酶設(shè)逡逑計(jì)等［１９］。逡逑結(jié)合ＲｏｓｅｔｔａＬｉｇａｎｄ和ＲｏｓｅｔｔａＤｅｓｉｇｎ
【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：R91;R96

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本文編號(hào)：2690501