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以人类免疫缺陷病毒整合酶为靶点的药物设计及耐药机理研究

作　者: 张小轶
导　师: 王存新
学　校: 北京工业大学
专　业: 生物医学工程
关键词: HIV-1整合酶二酮酸抑制剂药效团模型定量构效关系耐药性
分类号: R96
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

艾滋病是由I型人类免疫缺陷病毒(Human immunodeficiency virus I,HIV-1)感染引发全身免疫系统严重损害,使人体对威胁生命的各种病原体丧失抵抗能力,最后导致死亡的严重疾病。目前,艾滋病仍是不治之症。整合酶(Integrase,IN)介导病毒cDNA与宿主细胞DNA的整合过程,在HIV-1生活周期中起必不可少的作用,且人体内没有IN的功能类似物,这使得IN抑制剂对人体正常细胞的毒性作用较小。近来,IN已成为发展抗艾滋病药物的最具吸引力的靶标,以IN为靶点开发新药及进行抑制剂改造成为研究热点。此外,现有的抗艾滋病药物大都产生了耐药性,这是成功进行高效抗逆转录病毒疗法(Highly active antiretroviral therapy,HAART)及新药设计的重大障碍。进一步从结构与功能的角度阐明耐药机制,特别是弄清最有前景的二酮酸(Diketoacids,DKAs)类IN抑制剂引起的耐药性机理,将有助于更合理地使用和设计针对IN的抑制剂。本论文的工作主要包括三部分:第一部分,是基于DKAs类IN抑制剂的药效团模型构建及针对IN蛋白的药效团模型构建;第二部分,是基于DKAs类IN抑制剂的三维定量构效关系(Quantitative Structure-Activity Relationships,QSAR)研究;第三部分,是多种IN耐药突变体的共有耐药机理研究。一.基于DKAs类IN抑制剂及IN蛋白的药效团模型构建药效团模型的构建可以找出化合物中对活性具有重要作用的药效团元素特征,利用建立好的模型进行数据库搜索,可能发现结构新颖的活性小分子。目前已获得几类DKAs小分子抑制剂的结构,且IN的晶体结构已被解析,本论文从配体及受体两个角度出发,进行DKAs类IN抑制剂的药效团模型构建,目前国际上还未见类似的工作报道。以作用于HIV-1 IN的DKAs类抑制剂构建药效团模型,尝试将抑制剂与药效团叠合后的构象和抑制剂与IN的对接构象进行叠合,得到药效团模型与分子对接构象中IN残基的相对位置,并基于抑制剂的药效团模型特征与周围IN氨基酸残基位置的匹配情况进行药效团特征的修改。所得最优药效团由1个疏水特征、3个氢键特征对和1个氢键供体特征组成。该药效团的命中物质量(Goodness of hit,GH)为0.56,产出率达63.6%,假阳性率为0.41%。结果表明,该药效团模型产出率较高,假阳性率较低,具有较好的置信度。另外,基于5类DKAs与IN的合理结合模式,建立了基于IN受体的药效团模型。分析了药效特征元素与周围蛋白残基环境的吻合程度。将基于配体的药效团与基于受体的药效团相互验证,确定了DKAs与IN相互作用中关键的相互作用残基及关键的药效特征元素。所得药效团模型及关键特征元素可用于数据库搜索,以发现新的具有DKAs药效团特征的活性化合物,也可为先导化合物的改造提供帮助。二.基于DKAs类IN抑制剂的QSAR研究通过研究药物小分子的化学结构和生物活性之间的关系,获得三维定量构效关系模型,所得模型可用来预测药物小分子的作用方式及改造后的化合物活性,并可指导新药设计和先导化合物的优化等。虽然国内外已有一些关于IN抑制剂的结构改造及构效关系研究发表,然而,迄今为止,尚未见到专门针对DKAs类IN抑制剂进行的构效关系研究。DKAs是目前最有前景的IN抑制剂,进行DKAs抑制剂的构效关系研究,会对更好的理解DKAs抑制剂与IN的相互作用以及如何改造DKAs类抑制剂提供帮助。论文将药效团模型、分子对接及三维定量构效关系研究相结合,进行了DKAs类IN抑制剂的构效关系研究。首先,构建了基于DKAs抑制剂的药效团模型。用所得药效团模型进行基于药效团模型的分子叠合,同时,将公共骨架叠合法作为对比,以寻找适合于体系的最佳模型。最佳模型由比较相似因子分析方法(Comparative molecular similarity indices analysis,CoMSIA)所得,即CoMSIA model 2。该模型具有最佳交叉验证回归系数(q2 = 0.665)以及非交叉回归系数(r2 = 0.955),并对测试集分子作出的较好的预测(r2 = 0.559)。为了评价所得最优QSAR模型的合理性,将IN与DKAs抑制剂小分子的对接结果与QSAR模型叠合,考察该模型所建议的取代基团是否与IN蛋白的周围残基环境相吻合。在此基础上对DKAs分子结构提出了合理的改造意见。三.多种IN耐药突变体的共有耐药机理研究现有的抗艾滋病药物大都产生了耐药性,HIV产生耐药突变是成功进行HARRT及新药设计的重大障碍。为了使已有的以及新开发的抑制剂在抗病毒治疗中最大限度的发挥其药效,进一步从结构与功能的角度,对HIV-1在这些抑制剂存在下产生的耐药性、特别是针对IN的耐药性机制进行研究是新的热点。已有关于IN突变体的耐药机理研究多来自对一个IN耐药突变体与野生型IN的比较,但多种耐药突变体IN共有的耐药机理尚未见报道。为了解DKAs引起的多种耐药株共有的耐药机理,论文选择三种针对S-1360耐药的HIV-1突变株,用分子对接和分子动力学模拟阐明IN对DKAs抑制剂耐药的机理。结果表明,在突变体中,由于T66残基突变成I66,阻止了抑制剂S-1360进一步进入结合口袋,因此在突变体中,S-1360与IN的结合位置靠近功能loop 3区却远离与病毒DNA结合的关键残基K156和K159,不能阻止病毒DNA与IN的结合;另外,发现对IN活性起重要作用的loop 3区和helix 1区的二级结构长度比野生型复合物中增长,且在野生型复合物中,抑制剂通过与helix 1区的E152及sheet 1区的D64形成氢键抑制了该区域的柔性,而在突变复合物中,抑制剂不与IN这两个区域的残基形成任何氢键作用,因此不能抑制该区域的柔性,使该区域表现出较高柔性。抑制剂结合位置的变化及loop 3区和helix 1区的构象变化是导致耐药性产生的主要原因。多种耐药突变体共有的耐药机理将对基于突变体复合物进行的3D药效团构建,对提高药物抑制IN耐药突变体的活性以及研发新药具有很大帮助。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-14
第1章绪论  14-38
  1.1 抗艾滋病药物的研究意义  14-23
    1.1.1 艾滋病的流行现状及治疗方法简介  14-15
    1.1.2 HIV 病毒结构及其生活周期  15-19
    1.1.3 抗艾滋病药物的研究进展  19-23
  1.2 计算机辅助药物设计的方法与基本原理  23-28
    1.2.1 基于配体的药物设计方法简介  24-26
    1.2.2 基于受体的药物设计方法简介  26-28
  1.3 分子对接方法简介  28-31
  1.4 药效团模型构建方法简介  31-34
  1.5 三维定量构效关系研究方法简介  34-36
  1.6 分子动力学模拟方法简介  36-37
  1.7 论文内容概述  37-38
第2章基于配体和受体的三维药效团模型构建  38-76
  2.1 基于二酮酸类HIV-1 整合酶抑制剂的三维药效团模型构建  38-61
    2.1.1 整合酶的结构与功能及整合酶抑制剂的研究进展  38-50
    2.1.2 计算方法  50-52
    2.1.3 结果与讨论  52-61
  2.2 基于整合酶蛋白的三维药效团模型构建  61-73
    2.2.1 基于受体的药效团模型方法及基于整合酶的药效团研究进展  61-65
    2.2.2 计算方法  65-67
    2.2.3 结果与讨论  67-73
  2.3 基于配体的药效团模型与基于受体的药效团模型比较  73-74
  2.4 本章小结  74-76
第3章二酮酸类HIV-1 整合酶抑制剂的QSAR 研究  76-100
  3.1 二酮酸类HIV-1 整合酶抑制剂的QSAR 研究进展  76-77
  3.2 计算方法  77-85
    3.2.1 研究体系  77-81
    3.2.2 二酮酸类抑制剂小分子的构建  81-82
    3.2.3 分子对接  82
    3.2.4 药效团模型构建、修正和评价方法  82-83
    3.2.5 分子叠合  83-85
    3.2.6 CoMFA 和CoMSIA 模型的产生  85
  3.3 结果与讨论  85-97
    3.3.1 药效团模型评价  85-89
    3.3.2 结合模式分析  89-90
    3.3.3 CoMFA 和CoMSIA 模型分析  90-93
    3.3.4 最佳模型的等势面图  93-97
  3.4 本章小结  97-100
第4章用分子模拟方法研究HIV-1 整合酶突变体的耐药性机理  100-116
  4.1 HIV-1 整合酶耐药机理研究进展  100-101
  4.2 模拟方法  101-102
    4.2.1 耐药HIV-1 整合酶突变体的构建  101-102
    4.2.2 分子对接和分子动力学模拟步骤  102
  4.3 结果与讨论  102-113
    4.3.1 合理的耐药性整合酶单体结构  102-105
    4.3.2 耐药性整合酶与抑制剂的结合模式分析  105-110
    4.3.3 耐药性整合酶关键位点的构象变化分析  110-113
  4.4 本章小结  113-116
结论与展望  116-120
  1. 论文的主要结论  116-117
  2. 论文创新点  117-118
  3. 对今后工作的展望  118-120
参考文献  120-132
读博士学位期间发表的学术论文  132-134
致谢  134

以人类免疫缺陷病毒整合酶为靶点的药物设计及耐药机理研究

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