蛋白质与配体相互作用分子模拟研究

【摘要】随着人类基因组测序的完成，以功能基因组学和蛋白质组学为主要研究内容的后基因组时代已经到来。蛋白质的功能是当前生命科学领域的研究热点问题。生命的物质基础蛋白质，具备复杂的空间结构，在生命过程中表现出各种各样的功能与多种生物活性。蛋白质除了构成细胞之外，还通过构成离子通道、酶蛋白、抗体蛋白及脂蛋白等维持细胞正常的功能。在整个生命过程中，蛋白质-配体相互识别过程，包括底物-酶、抗原-抗体、激素-受体的识别是各种生物功能的分子机制及调控过程的重要基础。蛋白质与配体的相互作用和识别是蛋白质发挥其生物功能的重要途径，在各种生命活动中扮演着非常重要的角色，比如基因调控、信号传导、免疫应答等都离不开蛋白质与配体的相互作用。蛋白质与其配体之间的分子识别机制的研究、识别模型的建立以及分子识别与分子选择性关系的研究，不仅对揭示生物学本质具有非常重要的意义，而且还可以应用于指导设计和合成具有特殊识别功能和生物活性的化合物。由于采用X射线单晶衍射、核磁共振等实验方法测定蛋白质-配体复合物结构尚存在较大的困难，而且费用高昂，近年来，随着超算技术的不断增强以及分子模拟方法理论的迅速发展和广泛应用，同源模建、分子对接、分子动力学模拟、结合自由能计算以及量子力学计算等分子模拟方法已经成为研究蛋白质与配体相互作用机制及其动态过程的重要手段。分子模拟方法为从分子、甚至原子水平上研究生命现象及揭示其本质规律提供了很好的手段，并可为实验提供有力的理论指导。随着分子模拟的理论完善及技术的进步，分子模拟方法正越来越多地被用于蛋白质结构与功能的关系、蛋白质与配体的相互识别以及药物设计的研究工作当中。苹果蠹蛾Cydiapomonella(L.)是世界上最重要的害虫之一，几乎遍布绝大多数梨果科果树种植地区。然而频繁的使用化学杀虫剂使得苹果蠹蛾对这些化学杀虫剂产生了严重的抗药性。因此，研究苹果蠹蛾抗性机理对苹果蠹蛾的防治具有重要的指导意义。小菜蛾Plutellaxylostella是为害甘蓝、花椰菜、大白菜等多种蔬菜的重要害虫。最初可以使用化学杀虫剂将其有效杀灭，但是在1980年代它们被发现对拟除虫菊酯产生了抗性，之后不久几乎所有杀虫剂都对其失效了。本项目组通过研究发现斑蝥素（Cantharidin）对小菜蛾有良好的杀虫活性，然而斑蝥素非常昂贵，并且人工合成条件极为苛刻，不仅如此，斑蝥素在小菜蛾等害虫的作用靶标尚未确认。因此，通过研究确认斑蝥素的靶标，对斑蝥素进行基于靶标结构的分子定向设计非常重要。蛋白磷酸酶5（ProteinPhasphotase5,PP5）在调节许多信号组成成分的动态磷酸化发挥了重要的作用，包括P53、调亡信号调控激酶1（apoptosissignal-regulatingkinase1，ASK-1)、丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activatedproteinkinase，MAPK）。已有实验证实PP5的高表达与多种肿瘤细胞的增殖有关，现已将PP5作为医学抗肿瘤领域一个新的并且较有前景的靶标。斑蝥素是PP5的强抑制剂，但是由于斑蝥素的高细胞毒性，限制了它在医学临床方面的应用。因此，深入研究PP5c与斑蝥素之间关键的相互作用，将使得合理设计更高特异性、更低细胞性的类斑蝥素抗肿瘤药物变得更为简单。本论文针对以上科学问题，主要进行了以下两个方面的研究工作：1.蛋白质-配体相互作用分子模拟在农业害虫防治方面的应用（1）苹果蠹蛾Cydiapomonella羧酸酯酶CpCE-1对有机磷杀虫剂代谢机理的分子动力学研究。利用蛋白质结构同源模建、分子对接、分子动力学、结合自由能计算及丙氨酸扫描等技术发现了苹果蠹蛾羧酸酯酶代谢有机磷杀虫剂的关键氨基酸，为揭示CEs代谢有机磷类杀虫剂的分子机理提供了新的视角。研究结果表明基于分子动力学(MolecularDynamics,MD)的丙氨酸突变扫描和定点突变联合研究害虫CEs代谢有机磷杀虫剂代谢分子机理是非常可靠的。研究中采用的方法有望成为揭示害虫解毒酶代谢杀虫剂的分子机理的统用方法。实验结果通过MD模拟与定点突变及代谢实验相互印证，发现了苹果蠹蛾CpCE-1参与代谢acephate的关键氨基酸残基Asn232。其中，acephate与关键残基的相互作用可用于指导新型有机磷杀虫剂的研发；能量分解发现的acephate结合产生负面作用的关键残基等信息可以用于羧酸酯酶的改造，有望设计出降解有机磷杀虫剂能力更高的酶类，用于环境保护。（2）斑蝥素及其类似物抑制小菜蛾Plutellaxylostella蛋白磷酸酶生物活性研究。通过对小菜蛾PxPSPs5个主要成员PxPP1、PxPP2A、PxPP4、PxPP5以及PxPP6分子三维结构的模建，从结构角度揭示了斑蝥素及其类似物可以在小菜蛾PxPSPs所有5个成员催化域中结合，并选择了这5个成员之中分子三维结构质量最高的PxPP5进行了分子对接模拟研究。通过结合自由能计算，我们发现斑蝥素、去甲斑蝥素及10种类似物的结合自由能与它们对小菜蛾生测活性LC50高度线性相关。为了验证这个相关性，我们测定了斑蝥素、去甲斑蝥素及10种类似物对PxPP5的体外活性IC50，通过统计分析和拟合指数曲线，我们发现，结合自由能、LC50以及IC50三者呈高度线性相关，它们三者的高度相关也间接证明了我们采用分子对接预测的结合模式构象已经接近于真实环境下晶体结构的水平。基于精确的结合模式构象，我们从蛋白质-配体关键相互作用的角度去揭示斑蝥素及其类似物抑制PxPP5活性的机理，我们发现PxPP5结合位点对斑蝥素、去甲斑蝥素和它们类似物的化学骨架非常敏感，化合物分子细微的改变都会导致其对PxPP5生物活性的改变，我们预测PxPSPs的5个成员为斑蝥素对小菜蛾有强杀虫活性的决定性因素。该结果对重新设计斑蝥素类化合物以及基于PxPP5分子三维结构筛选新型生物农药的先导化合物有重大意义。2.蛋白质-配体相互作用分子模拟在人类疾病靶标方面的应用基于分子动力学与定点突变的斑蝥素及其类似物与人类蛋白磷酸酶5催化亚基之间的相互作用研究。采用量子力学（Quantummechanics，QM)计算提取PP5c活性位点锰离子金属中心的化学特征，获得了高精度的分子力场参数，并成功应用于PP5c复合斑蝥素、去甲斑蝥素以及草哆嗦三个体系的分子动力学MD模拟，精确反映了这三个体系的运动行为。通过结合自由能计算、能量分解及ASM并联合定点突变，很好的揭示了斑蝥素、去甲斑蝥素及草哆嗦与PP5c结合的关键相互作用。通过MM-PBSA预测的这3个抑制剂的结合自由能也与它们对PP5c的体外活性IC50定性一致。通过对这3个抑制剂周围氢键的分析，发现残基His129和Arg225在斑蝥素和去甲斑蝥素结合PP5c起到了关键性的作用，残基Arg225和Val254对稳定草哆嗦与复合物结构中也发挥了重要的作用。ASM获得的结合自由能的变化趋势与定点突变得到的实验值定性一致，结果表明残基His129和Arg225在这个3个抑制剂结合时发挥了关键作用，它们属于Hot-spots，残基His129可能与PP5c底物的催化有关。本研究从结构的角度在原子水平揭示了斑蝥素及其类似物结合PP5c的关键相互作用，为合理设计新的类斑蝥素抗肿瘤药物提供了科学依据。
【作者】刘吉元；
【导师】张雅林；
【作者基本信息】西北农林科技大学，农业昆虫与害虫防治，2014，博士
【关键词】蛋白质-配体相互作用；羧酸酯酶；蛋白磷酸酶5；分子动力学；丙氨酸突变扫描；定点突变；

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