目前,严重威胁人类健康的重大疾病包括糖尿病、癌症等等。据国际糖尿病联盟（International Diabetes Federation,IDF）在2020年发布的报告,全世界每11个人中就有1个人患有糖尿病。糖尿病是本世纪患者数量增长最迅速的疾病之一,在过去的20年中,患有糖尿病的成年人数量增加了两倍之多。据估计,到2030年将有5.78亿成年人罹患糖尿病。糖尿病的病症主要表现为胰岛素抵抗,尽管目前胰岛素的终生替代疗法已成为最有效的控制疾病进程和预防并发症的临床治疗手段之一,但还需要针对多靶点的联合用药来多方面控制病情发展进程。癌症几乎可以发生在人体的各个部位,其显著特征是细胞异常生长或扩散。癌症是全球范围内的主要死亡原因,仅2020年就有近1000万人死于癌症。一些最常见的癌症类型,如乳腺癌、结直肠癌等,如果及早发现并根据病情进行治疗,治愈率很高。本文中利用分子动力学模拟对人体代谢过程中的关键酶（人源N端麦芽糖酶-葡糖淀粉酶、人源二肽基肽酶Ⅲ和人源酪氨酸磷酸酶1B）进行深入研究,来探究靶向各关键酶与配体的结合模式。具体研究内容如下:1.人源N端麦芽糖酶-葡糖淀粉酶与抑制剂结合模式及构象变化。目前,临床上用于治疗2型糖尿病的药物包括传统的磺酰脲类双胍类、格列奈类、噻唑烷二酮类、α-葡萄糖苷酶抑制剂、胰高血糖素样肽-1（Glucagonlike peptide 1,GLP 1）受体激动剂、二肽基肽酶IV（Dipeptidyl peptidase 4,DPP-4）抑制剂和钠葡萄糖协同转运蛋白2（Sodium-glucose cotransporter 2,SGLT2）抑制剂等等。自1990年以来,α-葡萄糖苷酶抑制剂已被用于控制由2型糖尿病引起的餐后血糖水平上升。麦芽糖酶-葡萄糖淀粉酶（Maltase glucoamylase,MGAM）属于糖苷水解酶家族31成员,其主要功能是消化α-淀粉酶酶促作用后留下的下游淀粉产物,因此MGAM成为治疗胰岛素抵抗的有效药物靶点。为了探索MGAM酶N端Nt MGAM活性口袋和逸出途径的构象变化,本文对两种Nt MGAM抑制剂:脱磺酸d（de-O-sulfonated kotalanol,DSK）和阿卡波糖（Acarbose）的复合物进行了200 ns的分子动力学模拟。MD模拟结果表明,与Nt MGAM结合的脱磺酸d可能会通过影响氨基酸残基H497-L499的螺旋化来影响两个结构域（Inserted loop 1和Inserted loop 2）的结构柔性,而这两个结构域的柔性会影响Nt MGAM活性口袋的体积,从而影响脱磺酸d与Nt MGAM的结合过程。自适应拉伸分子动力学模拟（Adaptive steered molecular dynamics,ASMD）表明,与阿卡波糖相比,脱磺酸d更容易以较低的能量从Nt MGAM的催化口袋中离去。Asp542是Nt MGAM活性口袋瓶颈的重要残基,可以与脱磺酸d生成氢键。理论实验结果可能为设计新的α-葡萄糖苷酶抑制剂治疗2型糖尿病提供一些有用的思路和理念。2.基于人源二肽基肽酶Ⅲ不同底物结合模式对催化效率影响的探究。人源二肽基肽酶Ⅲ（hDPP Ⅲ）是一种锌依赖性水解酶,对各种小分子肽的N末端具有广泛的底物特异性。hDPP Ⅲ涉及许多生理过程,例如伤害感受、高血压和多种形式的癌症。在本研究中,分别对游离hDPP Ⅲ、hDPP Ⅲ-血管紧张素Ⅱ（DRVYIHPF,Ang Ⅱ）和hDPP Ⅲ-IVYPW进行了500 ns分子动力学模拟,以探索不同的结合模式和构象变化。计算实验结果表明,在hDPP Ⅲ-Ang Ⅱ复合物中,亚位点S1小且疏水,这使得底物更容易受到亲核物质的进攻。提取分子模拟过程中最稳定构象的结构后发现,残基R421-K423在hDPP Ⅲ-Ang Ⅱ复合物中产生了α-螺旋,而在hDPP Ⅲ-IVYPW复合物中仅产生了部分α-螺旋。残基R421-K423位于hDPP蛋白中机械铰链的附近,当与Ang Ⅱ结合时,该有序结构域有助于水分子对底物进行亲核进攻。以上研究结果可能为将来为设计hDPP Ⅲ的新型抑制剂提供新的线索。3.靶向人源酪氨酸磷酸酶1B酶促作用位点的抑制剂结合模式的探究。人源酪氨酸磷酸酶1B（Protein Tyrosine Phosphatase 1B,PTP1B）是一种含磷酸酪氨酸的蛋白质的水解酶,通过对胰岛素受体的去磷酸化作用作为主要的胰岛素信号转导过程的负调节剂,已成为治疗糖尿病和肥胖症的突出目标。溴酚类化合物除了具有降血糖作用外,还能够特异性的抑制PTP1B,使其成为PTP1B的又一潜在的有力靶标性药物。在本研究中,分别对游离PTP1B、和两种人工合成溴酚类化合物（化合物4及化合物22,见正文81页）与PTP1B蛋白结合形成的复合物进行了300ns的分子动力学模拟。对MD模拟结果的分析表明,化合物22能够与PTP1B蛋白的位点A、B和D产生相互作用,并且与位点A和D以紧密的氢键相结合。化合物22能够使PTP1B蛋白参与底物识别位点的残基产生剧烈波动,维持其“开放”的构象,这可能有利于配体与蛋白的结合。MM-GBSA结果表明,残基Tyr46和催化重要残基Asp181均对化合物4与PTP1B的结合有着重要贡献,但不足以提高化合物4的抑制效率。这可能对未来针对PTP1B为靶点设计特异性抑制剂提供了新的方向和思路。
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中文摘要
abstract
第1章 引言
1.1 蛋白质的研究现状
1.2 蛋白质结构的研究技术
1.2.1 X射线单晶衍射分析技术(Single Crystal X-Ray Diffraction)
1.2.2 核磁共振技术(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)
1.2.3 蛋白质溶液构象的光谱技术
1.2.4 扫描探针显微镜技术(Scanning Probe Microscope,SPM)
1.2.5 交联质谱技术(Chemical Cross-linking Coupled with Mass Spectrometry,CXMS)
1.2.6 生物质谱技术(Biological mass spectrometry,Bio-MS)
1.2.7 冷冻电镜技术(Cryo-electron microscopy,Cryo-EM)
1.2.8 分子模拟技术(Molecular Dynamics Simulations,MD)
1.3 分子动力学模拟(Molecular Dynamics Simulations)
1.3.1 分子动力学模拟的主要原理
1.3.2 分子动力学模拟的主要步骤
1.3.3 分子动力学模拟的发展
1.3.4 分子动力学模拟的研究内容及应用
1.3.5 分子动力学模拟的作用
1.4 论文立项依据
1.5 重大疾病关键酶的功能及其配体
1.6 论文的研究内容
第2章 理论基础与计算方法
2.1 分子对接
2.1.1 分子对接的原理
2.1.2 分子对接的一般方法
2.1.3 分子对接的主要软件
2.2 分子动力学模拟
2.2.1 经典力学模型
2.2.2 分子力学的势函数形式
2.2.3 积分方法
2.2.4 系综
2.2.5 周期性边界条件(Periodic Boundary Conditions)
2.2.6 分子动力学模拟的基本流程
2.3 二级结构分析(Dictionary of Secondary Structure of Proteins,DSSP)
2.4 结合自由能计算(MM/PBSA)
2.5 利用CAVER软件鉴定蛋白通道残基
2.6 自适应拉伸分子动力学(Adaptive Steered Molecular Dynamics,ASMD)
2.7 主成分分析(Principle Component Analysis,PCA)和自由能面图(Free Energy Landscape,FEL)
2.8 协方差矩阵(Covariance Matrix)
2.9 分子模拟过程中的量化值
2.10 层次聚类分析(Hierarchical Cluster Analysis,HCA)
第3章 人源N端麦芽糖酶-葡糖淀粉酶与抑制剂结合模式及构象变化
3.1 研究背景
3.2 研究方法
3.2.1 体系准备
3.2.2 分子动力学模拟
3.2.3 实验分析方法
3.3 实验结果
3.3.1 分子对接结果分析
3.3.2 蛋白质结构稳定性分析
3.3.3 二级结构分析
3.3.4 活性口袋体积分析
3.3.5 PCA,FEL分析
3.3.6 结合自由能
3.3.7 自适应拉伸分子动力学模拟(ASMD)
3.4 小结
第4章 基于人源二肽基肽酶Ⅲ不同底物结合模式对催化效率影响的探究
4.1 研究背景
4.2 研究方法
4.2.1 体系准备
4.2.2 分子动力学模拟
4.2.3 实验分析方法
4.3 实验结果
4.3.1 相互作用分析
4.3.2 蛋白质结构稳定性分析
4.3.3 蛋白亲/疏水性分析
4.3.4 氢键分析
4.3.5 蛋白质结构柔性分析
4.3.6 机械铰链结构二级结构分析
4.3.7 PCA、FEL分析
4.3.8 结合自由能分析及HCA
4.4 小结
第5章 靶向人源酪氨酸磷酸酶1B酶促作用位点的抑制剂结合模式的探究
5.1 研究背景
5.2 研究方法
5.2.1 体系准备
5.2.2 分子动力学模拟
5.2.3 实验分析方法
5.3 实验结果
5.3.1 分子对接结果分析
5.3.2 蛋白质稳定性结果分析
5.3.3 蛋白质结构柔性分析
5.3.4 PCA、协方差分析
5.3.5 氢键分析
5.3.6 MM-GBSA结果分析
5.4 小结
第6章 结果与展望
6.1 研究结果
6.1.1 人源N端麦芽糖酶-葡糖淀粉酶与配体结合
6.1.2 人源二肽基肽酶Ⅲ与配体结合
6.1.3 人源酪氨酸磷酸酶1B与配体结合
6.2 研究展望
参考文献
作者简介及攻读博士学位期间取得的科研成果
致谢
