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HIV融合抑制剂的设计研究

作　者: 谭建军
导　师: 王存新
学　校: 北京工业大学
专　业: 流体力学
关键词: 计算机辅助药物设计结合自由能 HIV-1跨膜蛋白gp41 进入抑制剂耐药性
分类号: R914.2
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

到2005底,美国食品与药品管理局共批准了27种抗HIV药物上市,这些药物以及高效抗逆转录病毒联合疗法(Highly Active Antiretroviral Therapy,HAART)的应用改善了病人临床治疗效果,但由于病毒的逆转录酶在复制过程中的高频突变和抗病毒药物产生的选择压力,导致病毒产生耐药性。因此艾滋病病毒(HIV)感染仍是整个世界面临的医学难题,为了治疗和预防艾滋病,研发安全高效的抗–HIV药物是非常紧迫的。阻断病毒进入细胞为艾滋病的治疗提供了新的机遇,故开发针对病毒进入细胞为靶点的高效低毒抑制剂是当前研究的热点。尽管研发新药是一件耗资巨大的工作,当前每种新药的开发大约需要8亿美元。为了获得更高的利润,很多制药公司迫切需要想办法降低研发费用。为了实现该目的,许多公司开始研究及使用计算机辅助药物设计(Computer–Aided Drug Design, CADD)方法。CADD方法不仅能够降低药物开发中的投资,节省有限的实验资源,减少盲目的浪费,而且还能缩短药物开发的周期。它主要分为两类方法:基于机理的药物设计以及基于结构的药物设计。当前使用的主要方法有:分子对接,即将配体或药物对接到特定的靶点;化学信息学,即采用统计方法研究结构和生物活性的关系;以及生物信息学,即从基因库获得药物的作用靶点。本文采用CADD方法研究了三个方面的内容,包括:HIV-1 gp41和抑制剂的相互作用、结合自由能以及结合模式;拟肽抑制剂的设计;融合抑制剂恩夫韦地(Enfuvirtide)的耐药性。本论文主要包括以下三个部分:1.抗HIV-1多肽融合抑制剂的设计研究1.1 HIV-1跨膜蛋白gp41与多肽抑制剂的分子动力学模拟为了研究跨膜蛋白gp41和多肽抑制剂的相互作用,采用分子动力学(MD)模拟和分子对接方法研究了gp41的HR1区和来源于HR2区的含14个氨基酸残基的多肽(C14wt and C14linkmid)复合物。首先用Autodock 3.0将两个多肽对接到gp41的疏水口袋,然后用GROMACS 3.0进行MD模拟,最后再用线性相互作用能(LIE)方法计算结合自由能。结果发现复合物C14linkmid-N45和C14wt-N45的计算结合自由能(分别为-25.17和-20.99 kJ/mol),与实验值(分别为-25.42和-18.83 kJ/mol)基本一致。另外,研究结果表明多肽螺旋环的稳定性和抑制剂的活性具有相关性。MD模拟的结果表明,来自C14wt的Trp628、Gln629、Asp632插入到gp41的疏水口袋中,使之产生的相互作用,来自C14linkmid的Trp628、Gln629、Asp632和Gln636等残基和gp41的疏水口袋之间存在疏水相互作用。模拟结果表明用化学键连接可以提高多肽抑制剂的稳定性和抑制活性。1.2抗HIV-1拟肽抑制剂的设计Sia等人研究表明,C14linkmid具有较强的抗HIV-1的活性。为了设计的C14linkmid拟似物,采用MD模拟详细研究了C14linkmid和gp41的疏水口袋的相互作用。在1.1结果的基础上,利用我们以前及他人的研究成果设计了四个C14linkmid的拟肽。结果表明C14mimic3和C14mimic4的结合自由能(分别为-26.29和-26.55 kJ/mol)小于C14linkmid的结合能。通过研究C14mimic4–N45的复合物,表明结合的活性区包括Trp628、Trp631、Glu634、Ile635和Tyr638等残基。2.抗HIV-1小分子融合抑制剂的研究2.1跨膜蛋白gp41与小分子的结合模式用Autodock 3.0程序将小分子抑制剂对接到gp41的疏水口袋,获得五个较好的结合模式。用分子力学–泊松波耳兹曼–溶剂可接近表面积(MM-PBSA)来预测抑制剂的活性以及受体–配体之间的结合自由能。根据前人的研究结果优选结合模式,最后找到了一个和实验结果吻合比较好的结合模式。2.2跨膜蛋白gp41与小分子抑制剂的结合自由能计算用分子对接、MD模拟和结合自由能量计算方法研究了gp41和小分子复合物的相互作用,通过研究发现计算出的结合自由能量值和实验数据基本一致。此外采用能量分解的方法进一步分析了结合自由能的各个组成部分,发现疏水相互作用对自由能的贡献最大。这些结果可用于以HIV-1 gp41疏水口袋为靶点的抗HIV-1抑制剂的设计。3抗HIV-1融合抑制剂耐药机理研究恩夫韦地(Enfuvirtide)是一个来源于gp41 HR-2区的含36个氨基酸残基的抑制剂,它通过结合到gp41的HR1区来阻断病毒进入宿主细胞。gp41的单个或多个残基发生突变(包括N42、N43、或S138)均不同程度的引起病毒耐药。由于缺少gp41的三级结构,我们用同源模建方法构建了它的膜外区,用PROCHECK程序检验表明,模建的结构是合理的。为了研究为何在活性位点附近的少数残基发生突变就会引起病毒产生耐药,我们研究了双突变体(N43D/S138A)的MD轨迹。另外,还从野生型的MD轨迹上选择四个构象作为MD模拟的起始构象,来研究初始构象的选取对模拟结果的影响,通过用主成分分析(Essential Dynamics)和聚类分析方法研究获得的MD轨迹,结果发现初始构象不影响蛋白质的构象空间。通过比较野生型和突变型的MD轨迹,可以看到它们的MD行为是相似的。

全文目录

摘要  5-8
Abstract  8-15
第1章绪论  15-34
  1.1 计算机辅助药物设计的基本理论和方法  15-22
    1.1.1 计算机辅助药物设计的基本理论  15-16
    1.1.2 常用的计算机辅助药物设计方法  16-22
  1.2 阻断 HIV 进入细胞抑制剂的研究意义和研究进展  22-34
    1.2.1 抗 HIV 药物的研究意义和研究进展  22-29
    1.2.2 阻断 HIV 进入细胞的抑制剂研究进展  29-34
第2章理论计算与方法  34-59
  2.1 分子对接方法  34-42
    2.1.1 分子对接的基本原理  35-36
    2.1.2 优化搜索算法  36-42
  2.2 分子动力学模拟方法  42-50
    2.2.1 分子动力学的基本原理  42
    2.2.2 积分法  42-43
    2.2.3 势函数  43-46
    2.2.4 边界条件  46-49
    2.2.5 SHAKE 算法  49-50
  2.3 结合自由能的计算  50-58
    2.3.1 受体-配体结合的亲和力  50
    2.3.2 线性相互作用能方法  50-54
    2.3.3 基于主方程的自由能计算方法  54-58
  2.4 本章小结  58-59
第3章 HIV-1 多肽融合抑制剂的设计研究  59-82
  3.1 HIV-1 跨膜蛋白gp41 与多肽抑制剂的分子动力学模拟  59-73
    3.1.1 研究背景及意义  59-61
    3.1.2 计算方法  61-64
    3.1.3 结果与讨论  64-73
  3.2 多肽抑制剂的改造研究  73-80
    3.2.1 研究背景及意义  73-74
    3.2.2 计算方法  74
    3.2.3 结果讨论  74-80
  3.3 本章小结  80-82
第4章抗 HIV-1 小分子融合抑制剂的研究  82-102
  4.1 跨膜蛋白gp41 与小分子抑制剂的结合模式  82-92
    4.1.1 研究背景及意义  82-83
    4.1.2 计算方法  83-85
    4.1.3 结果讨论  85-92
  4.2 跨膜蛋白gp41 与小分子抑制剂的结合自由能计算  92-100
    4.2.1 研究背景及意义  92-93
    4.2.2 计算方法  93-95
    4.2.3 结果讨论  95-100
  4.3 本章小结  100-102
第5章抗 HIV-1 融合抑制剂耐药机理研究  102-125
  5.1 研究背景及意义  102-104
  5.2 计算方法  104-106
    5.2.1 同源模建  104
    5.2.2 分子动力学模拟  104-105
    5.2.3 主成分分析  105
    5.2.4 聚类分析  105-106
  5.3 结果讨论  106-123
    5.3.1 同源蛋白结构模建  106-109
    5.3.2 野生型的分子动力学模拟结果  109-112
    5.3.3 突变体的分子动力学模拟结果  112-123
    5.3.4 野生型和突变型的比较  123
  5.4 本章小结  123-125
第6章总结与展望  125-128
  6.1 论文工作总结  125-126
  6.2 论文创新点  126
  6.3 展望  126-128
参考文献  128-145
攻读博士学位期间所发表的学术论文目录  145-147
致谢  147-148

HIV融合抑制剂的设计研究

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