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准确解析蛋白质大分子与其相互作用的配体小分子的结合构象,是研究配体参与的功能性蛋白质在生物体内的作用机制及调控过程的基础,同时也是基于结构的药物设计的前提。本论文的工作即是围绕准确计算预测蛋白-配体的结合构象而展开,主要包括以下三方面工作。1.构建准确预测蛋白-配体结合构象的新方法:对于复杂的蛋白-配体分子体系而言,准确计算预测合理的低能构象主要取决于能否实现全局复杂势能面(Potential Energy Surface,PES)的搜索和局域低能构象的高精度优化。我们提出了基于MM/QM多势能面“窜跃”的结合构象搜索与优化策略(Binding Conformations Searching Across Multiple PES,BC-SAMP)来准确计算预测蛋白-配体的结合构象。基于BC-SAMP策略我们发展得到了一种能够准确计算预测蛋白-配体结合构象的DOX新方法。2.DOX方法在生物体系上的测试研究。本部分工作包括如下两方面内容:(1)以人体3-羟基-3甲基戊二酰辅酶A还原酶(HMGR)体系的15个蛋白-配体复合物为测试集,对DOX复合计算方法进行了系统测试研究。DOX方法需要解决的首要问题是蛋白-配体结合构象采样空间(Sampling Space Of The Binding Conformations,SSBC)的质量,本文采用分子对接方法来构造SSBC,我们考察了 DOX方法基于原位对接、自对接、交叉对接的表现,从原位对接到自对接再到交叉对接,研究难度逐步增加同时也逐步逼近真实情况。基于原位对接,以晶体结构中配体分子的结合构象及晶体结构复合物的能量作为标准,DOX(Docking-ONIOM3-X02)方法对测试集的预测精度是RMSD的平均值为0.54A,相对结合能的平均值为1.13 kcal/mol,上述结果表明基于原位对接DOX方法可以准确预测出测试集中蛋白-配体结合构象的几何构型参数。在自对接层次上,我们以Confort方法产生用于分子对接的配体分子的起始构象。由于测试集中配体分子自身结构复杂,我们研究发现,当其构象不是来源于晶体结构,而是以Confort产生的1个低能构象时,对分子对接方法给出的SSBC质量会产生较大影响,我们用Confort产生6个低能构象同时增大SSBC中结合构象的数目解决了上述问题。SSBC结合构象数目的增加将导致ONIOM3计算量增大,我们以PM7计算取代ONIOM3计算的策略有效解决了该阶段的计算效率和精度的平衡性问题。我们把Docking-ONIOM3-X02 称为 DOXl.0,Docking-PM7@MOPAC-X02 称为 DOX2.0。同样以晶体结构中配体分子的结合构象及晶体结构复合物的能量作为标准,基于自对接,DOX2.0方法对测试集的预测精度是RMSD的平均值为0.50A,相对结合能的平均值为0.92kcal/mol,虽然测试条件更为严格,DOX2.0方法基于自对接的表现要略优于DOX1.0方法基于原位对接的表现,表明DOX2.0方法的性能要优于DOX1.0方法。为了验证DOX方法的普适性,我们对DOX2.0方法在1,3,8-三羟基萘酚还原酶(3HNR)、小柱孢酮脱水酶(SDase)、神经氨酸酶(NA)基于自对接进行了测试研究,计算结果表明DOX2.0方法在上述体系均达到RMSD的平均值小于1.0 A,相对结合能的平均值小于2.0 kcal/mol的预测精度,以上研究结果表明DOX方法具有一定的普适性。基于交叉对接,以原晶体结构中配体分子的结合构象作为标准,DOX2.0方法对测试集的预测精度是RMSD的平均值为0.63 A,说明对于HMGR-他汀类分子结合的体系,在实际应用中DOX2.0方法可以准确预测出其结合构象的几何构型参数。(2)以蓝藻捕光系统中的藻蓝蛋白为研究体系,对DOX2.0方法在以共价方式结合的蛋白-配体复合物体系上的预测性能进行了初步测试研究。在藻蓝蛋白中其配体分子藻蓝素与脱辅基蛋白以硫醚键的形式共价结合。文献报道藻蓝素分子在游离状态是卷曲构象,晶体结构数据显示,藻蓝素分子与蛋白结合后呈伸展状态,两种情况藻蓝素分子的构象差别较大,我们需要藻蓝素分子游离状态的构象作为DOX2.0方法分子对接配体的起始构象,因此基于SAMP策略,我们首先对游离的藻蓝素分子进行了构象搜索,计算结果表明,SAMP策略可以搜索得到藻蓝素分子的卷曲构象,说明SAMP策略对于小分子构象的搜索也具有一定的可行性。然后采用DOX2.0方法对藻蓝蛋白与藻蓝素的结合构象进行了预测。以晶体结构中配体分子的结合构象及晶体结构复合物的能量作为标准,DOX方法预测给出的最佳结合构象的RMSD为0.31A,相对结合能为1.97kcal/mol,即对于藻蓝蛋白与藻蓝素结合的体系,DOX方法可以准确预测其结合构象,同时也初步说明了 DOX方法在预测以共价方式结合的蛋白-配体结合构象上也具有一定的可行性。3.DOX 方法在人体肝脏果糖-1,6-二磷酸酶(Human liver fructose-l,6-bisphosphatase,Hu-FPBase)抑制剂设计中的应用研究:首先靶向Hu-FPBase的AMP变构结合位点进行了小分子抑制剂的虚拟筛选工作。基于虚拟筛选策略,我们从Specs化合物数据库中筛选得到25个化合物,生物活性测试结果表明其中有一个化合物表现出微摩尔级别的抑制活性。由于目前我们还没有获得先导化合物与Hu-FBPase的晶体解析结构,因此用实验方法我们目前还无法准确获取先导化合物与Hu-FBPase的结合构象信息,而基于先导化合物自身的结构来进行结构优化,又具有一定的盲目性,鉴于我们发展的DOX方法已经在HMGR、3HNR、SDase、NA体系的测试研究中取得成功,表明其在准确预测蛋白-配体的结合构象方面已具有一定可信度,因此我们用DOX2.0方法对先导结构与Hu-FBPase的结合模式进行了预测,根据预测的结合模式对先导结构进行了优化设计,以期得到对Hu-FBPase具有更高抑制活性的化合物。上述研究表明DOX方法有望在药物设计的先导结构优化阶段,提供准确的蛋白-配体结合模式,为先导结构的优化设计提供一定的理论指导。