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目的:微管是细胞骨架的重要组成部分,参与细胞有丝分裂、运动传输等过程,是癌症治疗的重要靶点之一。紫杉烷类似物是一种微管稳定剂,通过阻止微管解聚使得微管过聚合,阻滞细胞周期妨碍有丝分裂,从而造成癌细胞的死亡。紫杉醇、多烯紫杉醇和卡巴他赛是临床上使用较为广泛的紫杉烷类似物。临床研究表明,紫杉醇和多烯紫杉醇在治疗恶性肿瘤初期时疗效显著,但使用一段时间后极易产生耐药性,卡巴他赛可用于进一步治疗对紫杉醇或多烯紫杉醇产生抗性的患者。对紫杉烷类似物的计算研究,目前主要集中于结构修饰或者纳米靶向药物设计方面,本实验组已完成对紫杉醇以及多烯紫杉醇的理论研究,本文的目的就是通过理论计算进一步了解不同紫杉烷类似物的作用过程以及耐药性问题,为未来的实验研究提供理论基础。方法:本文将通过计算机模拟相关方法来研究三种紫杉烷类似物与不同亚型微管蛋白以及P-糖蛋白的结合过程。首先使用量子力学方法优化卡巴他赛小分子的构象,使用与前期研究相同的密度泛函方法对卡巴他赛的性质进行理论计算与研究。然后使用分子动力学方法模拟三种紫杉烷类似物的作用。通过同源建模的方法,使用序列同一性高的蛋白质晶体结构,对人类不同亚型微管蛋白以及P-糖蛋白进行三维模型构建;通过分子对接方法筛选三种紫杉烷类似物与蛋白质结合时的作用位点以及优势取向;通过25 ns的分子动力学模拟三种紫杉烷类似物与不同亚型微管蛋白以及P-糖蛋白的动态结合过程,研究其在残基水平上的异同点。最后使用量子力学/分子力学混合的方法计算得到更精确的结合自由能,从而进一步研究紫杉烷类似物的作用效果。结果:首先通过结构优化得到了卡巴他赛在气态下及溶液中能量最低的构象以及其相关理论性质。然后对三种紫杉烷类似物能量最低的构象与不同亚型微管蛋白的分子对接及分子动力学模拟结果表明,三种紫杉烷类似物的作用位点均在β-微管蛋白上的Taxanes位点上,但是与三种类似物结合的相关氨基酸及结合时小分子的取向存在差异。通过计算其结合自由能发现紫杉醇与βⅡa-微管蛋白亚型的结合亲和力以及多烯紫杉醇与βⅠ-微管蛋白亚型的结合亲和力远高于它们与βⅢ-微管蛋白亚型的结合亲和力;卡巴他赛与βⅠ-微管蛋白和βⅡa-微管蛋白的结合亲和力是低于紫杉醇和多烯紫杉醇的,但是与βⅢ-微管蛋白的结合亲和力和与βⅡa-微管蛋白的结合亲和力差异不大。对三种紫杉烷类似物与P-糖蛋白的作用过程模拟表明,紫杉烷类似物与P-糖蛋白的结合变化较大,多烯紫杉醇与P-糖蛋白的结合亲和力高于卡巴他赛与P-糖蛋白的结合亲和力。结论:三种紫杉烷类似物与不同亚型微管蛋白作用时,紫杉醇和多烯紫杉醇与βⅠ-微管蛋白亚型和βⅡ-微管蛋白亚型的结合在药物治疗中起重要作用,而βⅢ-微管蛋白的过表达会使紫杉醇和多烯紫杉醇在治疗过程中产生抗性。这与Magnani等人(FEBS J.2006)和Urano等人(Int.J.Oncol.2006)的临床实验结果是一致的。但基于卡巴他赛与βⅢ-微管蛋白结合亲和力未减弱这一计算结果,表明卡巴他赛不会因为βⅢ-微管蛋白的过表达而产生耐药性,可用于对紫杉醇或多烯紫杉醇产生抗性的患者进一步治疗,这与Smiyu等人(Cancer Chemother.Pharmacol.2017)的临床研究结果一致。此外通过对八个可能影响紫杉烷类似物与微管蛋白作用的氨基酸序列差异位点的结合能相关计算,发现βⅢ-微管蛋白亚型上的序列差异位点对药物的结合有减弱作用。而三种紫杉烷类似物与P-糖蛋白的作用研究表明,P-糖蛋白与紫杉烷类似物作用并不是在一个固定的作用位点结合,而是通过分子间作用力将小分子药物从细胞内“移出”细胞外。多烯紫杉醇与P-糖蛋白有更高的结合亲和力,更易被排出细胞,从而产生耐药性。