甲型流感病毒突变诱发的神经氨酸酶耐药性机制理论研究（英文）

甲型流感(A/HxNy)因其高传染性和高死亡率严重威胁人类健康、危害人类公共卫生安全面受到广泛关注.神经氨酸酶(NA)通过靶向宿主细胞中的唾液酸(SIA)并与之相互作用进而达到释放子代病毒的目的.由于其高度保守的催化中心结构,已成为药物设计的重要目标.临床上已经出现了各种耐药的神经氨酸酶突变株,本工作对A/H7N9(N9亚型)由突变引发的耐药机制进行了详细探究.通过分子动力学模拟和丙氨酸突变扫描结合相互作用熵方法来探索R294K突变前后N9和药物扎那米韦结合机制的差异.研究结果表明,突变导致Arg294和Z药物扎那米韦之间的氢键断裂,并破坏了结合口袋附近热点残基与药物间的氢键网络,从而导致药物对N9的结合能力减弱,产生耐药性.同时,来自A/H11N9的N9野生型与R292K突变型也被用于研究耐药性产生的机制.预测的突变前后N9与5种抑制剂(SIA、DAN、药物扎那米韦、G28和G39)结合自由能的不同与实验值基本一致,验证了丙氨酸突变扫描结合相互作用熵方法用于本工作的可靠性.此外,对关键残基的分析表明Arg292、Tyr406在野生型A/H11N9与药物的相互作用中表现为热点氨基酸.然而,在突变型A/H11N9中,292残基对结合自由能没有明显有利的贡献,这可能会增强突变植株的抗药性.相比之下,当SIA、药物扎那米韦和G28与突变型A/H11N9作用时,Tyr406仍保留热点残基的特征.结合以上两组甲型流感病毒(N9亚型)的动力学模拟研究,推测了病毒抗药性主要是由氢键网络的破坏和热点的转变引起的.该研究可以为治疗甲型流感(N9亚型)耐药突变的新型药物开发和药物优化提供理论指导.     

地黄梓醇和乙酰胆碱酯酶作用的分子动力学模拟

梓醇能有效的的改善阿茨海默尔症状,但与乙酰胆碱酯酶(Acetylcholinesterase,AchE)作用的分子机制尚不明晰.本文运用分子动力学模拟、结合自由能的计算和丙氨酸突变扫描的方法研究了两者的结合模式,结果表明:梓醇结合位点为乙酰胆碱酯酶的催化活性中心,并形成3个氢键,结合自由能为-60.59 k J/mol,结合的主要驱动力是范德华力和静电作用力,主要抑制力是极性溶剂化能,Tyr151和Gln176是两者结合的关键氨基酸.这些研究为开发高效的Ach E梓醇类似物抑制剂提供理论支持.     

基于孔道突变的钙库控制钙离子通道的门控机制研究

钙释放激活的钙通道(CRAC)是非兴奋性细胞中钙离子内流的主要途径. 然而,CRAC激活过程受到多种因素的调控,研究的主要困难在于该通道蛋白的孔结构Orai及其激活蛋白STIM复合体的结构复杂,难以在原子尺度上通过实验观察到完整的激活及失活过程. 电生理和生化实验表明,与野生型Orai孔道的开启需要STIM蛋白激活不同,Orai蛋白上某些氨基酸的突变会导致其变成自发开启的状态. 因此,研究者普遍使用处于自发开启状态的通道突变体,通过研究突变体的结构和电生理性质,推测野生型孔道在生理条件下可能的激活机制,并提出了不同的调控机制模型(Biopolymers 111,e23392 (2020)). 然而,突变体是否可以真实地反映CRAC通道的激活机理还存在一些不确定性. 本文采用微秒级分子动力学模拟,结合自由能计算和基于电扩散连续模型的有限元分析,系统性地探索了三种处于激活状态的dOrai突变体(G170P、H206A和P288A)的结构及动态变化、离子通过自由能及电流电压曲线,并与以往工作中对于其它突变体(Proc. Natl. Acad. Sci. USA 110,17332 (2013);J. Phys. Chem. B 118,9668 (2014))以及野生型处于开启状态的一种可能的结构模型(iScience 16,356 (2019))进行比较. 计算结果表明,三种突变体的孔道结构均呈现出扩张的趋势,孔道内水分子的有序排布程度降低,从而显著降低了阳离子在孔道内扩散的自由能. 但不同的dOrai突变体采用了不同的模式来保持其通道处于激活状态. 具体的说,G170P突变体通过引入脯氨酸使直接形成孔道的跨膜螺旋TM1发生显著弯曲,从而有效增大孔径. H206A和P288A突变体都是通过别构效应间接地改变孔道结构：其中H206A 通过在TM1外侧的跨膜螺旋TM2上引入侧链较小的丙氨酸而破坏同一条链上TM1和TM2间的堆积作用,引起TM1的扩张;而P288A的突变位点处于孔道蛋白最外侧的跨膜螺旋TM4上,减小TM4的弯曲程度,并进一步将构象变化传递到孔道中心的TM1,从而使得孔径增大而激活通道. 因此,虽然三个突变体均可以导致Orai孔道的自发激活,但突变位点各不相同,导致构象变化的分子机制也各有差异. 此外,与野生型dOrai通道处于激活状态的结构模型相比,上述突变体的孔道结构、整流性质和阳离子选择性都有明显差异. 因此,对于突变体的研究可以为理解Orai 通道的激活机制提供信息,但并不能真实地反映生理条件下由激活蛋白STIM调控的Orai通道的门控过程.     

MDM2与抑制剂PDIQ作用机制的结合自由能计算研究

近年来p53-MDM2相互作用已成为抗癌药物设计的重要靶标.本工作采用分子动力学模拟和结合自由能计算研究抑制剂PDIQ与MDM2的结合模式.结果显示范德瓦尔斯作用是抑制剂结合的主体力量.基于残基的自由能分解计算结果表明CH-CH,CH-π和π-π相互作用驱动了抑制剂与MDM2的结合.这一研究可为抗癌药物的设计提供一定的理论指导.     

用分子对接方法预测HIV-1整合酶与金精三羧酸抑制剂的相互作用

用分子对接方法 (Docking)研究了HIV 1整合酶与其抑制剂金精三羧酸的结合过程 .为弄清金属离子在结合中所起的作用 ,选择含有一个Mg+ 2 或不含Mg+ 2 的两种不同的整合酶受体分别与金精三羧酸对接 .结果表明 ,Mg+ 2 对稳定配体与受体的结合起了重要作用 .金精三羧酸配体与含有一个金属Mg+ 2 的整合酶受体对接 ,最优结合自由能为 - 4 5 .19kJ/mol.当Mg+ 2 失去后 ,整合酶的活性中心构象将发生变化 ,使金精三羧酸抑制剂与整合酶的结合自由能 (- 2 4 .35kJ/mol)明显增加 .预测了未知的HIV 1整合酶与其抑制剂金精三羧酸的复合物结构 ,并可对基于结构的抗HIV 1整合酶的药物设计提供重要信息     

分子动力学研究抑制剂APV与HIV-1蛋白酶的作用机制

采用分子动力学模拟和结合自由能计算研究了抑制剂APV与HIV-1蛋白酶的作用机制. 研究结果表明范德瓦尔斯作用主控了APV与HIV-1蛋白酶的结合. 采用基于残基的自由能分解方法计算了抑制剂-残基相互作用,结果表明9个残基Gly27、Ile32、Val47、Ile50、Ile84、Ala28′、Gly49′、Ile50′和Arg87′与APV产生了大于1.0 kcal/mol的强相互作用,而且证明CH-π,CH-O相互作用和极性作用是其结合的主要形式. 期待该结果可以为以HIV-1蛋白酶为靶标的抗艾滋病药物设计提供理论上的指导.     

分子动力学研究抑制剂APV与HIV-1蛋白酶的作用机制

采用分子动力学模拟和结合自由能计算研究了抑制剂APV与HIV-1蛋白酶的作用机制. 研究结果表明范德瓦尔斯作用主控了APV与HIV-1蛋白酶的结合. 采用基于残基的自由能分解方法计算了抑制剂-残基相互作用,结果表明9个残基Gly27、Ile32、Val47、Ile50、Ile84、Ala28′、Gly49′、Ile50′和Arg87′与APV产生了大于1.0 kcal/mol的强相互作用,而且证明CH-π,CH-O相互作用和极性作用是其结合的主要形式. 期待该结果可以为以HIV-1蛋白酶为靶标的抗艾滋病药物设计提供理论上的指导.     

抑制剂Benzamidine与胰岛素作用机制的分子动力学和结合自由能计算研究

氢键和极性相互作用在抑制剂-蛋白结合专一性识别过程中起到重要作用.抑制剂Benzamidine(BEN)与胰岛素trypsin相互作用机制的阐明有助于胰岛素高效抑制剂的研发.本文采用分子动力学模拟和MM-PBSA(molecular mechanics-Poisson Boltzmann surface area)从原子层次上研究BEN与胰岛素的结合模式.结果表明抑制剂BEN的脒基不仅与Asp189的羰基产生静电相互作用,而且与残基Ser190和Gly214形成氢键相互作用.基于残基能量分解的计算表明抑制剂的苯基与残基His58,Cys191,Gln192,Trp211,Gly212和Cys215形成有利于抑制剂结合的疏水性相互作用.期望当前的研究能为胰岛素有效抑制剂的研发提供重要的理论指导.     

抑制剂Benzamidine与胰岛素作用机制的分子动力学和结合自由能计算研究

氢键和极性相互作用在抑制剂-蛋白结合专一性识别过程中起到重要作用. 抑制剂Benzamidine(BEN)与胰岛素trypsin相互作用机制的阐明有助于胰岛素高效抑制剂的研发.本文采用分子动力学模拟和MM-PBSA(molecular mechanics-Poisson Boltzmann surface area)从原子层次上研究BEN与胰岛素的结合模式.结果表明抑制剂BEN的脒基不仅与Asp189的羰基产生静电相互作用，而且与残基Ser190和Gly214形成氢键相互作用.基于残基能量分解的计算表明抑制剂的苯基与残基His58, Cys191, Gln192, Trp211, Gly212和Cys215形成有利于抑制剂结合的疏水性相互作用.期望当前的研究能为胰岛素有效抑制剂的研发提供重要的理论指导.     

分子动力学研究抑制剂pDI6W与MDM2的相互作用机制

p53-MDM2相互作用已经成为治疗癌症药物设计的重要靶标。本文采用分子动力学模拟和MM-PBSA(molecular mechanics-Possion-Boltzmann surface area)方法计算了肽类抑制剂pDI6W与MDM2的结合自由能,结果证明范德华作用是pDI6W与MDM2结合的主要力量。相关矩阵的计算结果表明pDI6W的结合主要诱导了MDM2内部的反相关运动。基于成对残基的自由能分解计算不仅证明pDI6W的5个残基Phe19′, Trp22′, Trp23′, Leu26′和Thr27′能够与MDM2产生较强的相互作用,而且确认了CH-π, CH-CH和π-π相互作用驱动了pDI6W在MDM2疏水裂缝中的结合。这为抗癌药物的设计提供了理论上的指导。     

HIV-1蛋白酶与抑制剂BEG相互作用的分子对接计算研究

本文使用分子对接方法和MM/PBSA方法计算抑制剂BEG与HIV-1蛋白酶的结合自由能,结果表明范德华相互作用主宰了BEG与HIV-1蛋白酶的结合,同时计算还证明分子对接采用的分子力场相比于Amber力场更适合于BEG-HIV蛋白酶系统。这篇论文还采用基于残基的自由能分解方法计算了抑制剂-残基相互作用,结果表明残基Leu23、Gly49、Ile50、Val82、Ile84、Asp25′、Gly27′、Ala28′、Gly49′、Ile50′和Ile84′与BEG产生了较强的相互作用,同时也证明CH-π和CH-O相互作用驱动了抑制剂BEG与HIV-1蛋白酶的结合。我们期望这个研究能为艾滋病治疗药物的合理化设计提供理论上的指导和实验上的参考。     

Binding energy of hydrogenic impurity in multi-quantum-dot structure

In this paper, we perform a theoretical study, using a variational method, of the binding energy of ground state for hydrogenic impurity in the multi-quantum-dot structure. It is found that the binding energy is not only as a function of the size of the system in the x–y plane, but also the barrier thickness and the width of a dot in the z direction. Especially, when the barrier thickness is equal to the width of a dot, there are two peaks in the behavior of the binding energy as a function of the barrier thickness. All these behaviors of the binding energy are determined by the competition between the localization effect of the wave function and the tunneling effect of the wave function due to an increase or decrease in the barrier thickness and the width of a dot. Moreover, we also investigate the behavior of binding energy with different impurity position.     

Changes in wetting and energetic properties of glass caused by deposition of different lipid layers

An investigation of wetting and energetic properties of different lipid layers deposited on the glass surface was carried out by contact angles measurements and determination of the apparent surface free energy. The topography of the lipid layers was also determined with the help of atomic force microscopy (AFM). Two synthetic phospholipids were chosen for these studies, having the same phosphatidylcholine headgroup bound to the apolar part composed either by two saturated chains (1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phospshocholine - DPPC) or two unsaturated chains (1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine - DOPC) and one lipid (1,2,3-trihexadecanoyl-sn-glycerol - tripalmitoylglycerol - TPG). The lipid layers, from the 1st to the 5th statistical monolayer, were deposited on the glass surface from chloroform solutions by spreading.The apparent surface free energy of the deposited layers was determined by contact angles measurements (advancing and receding) for three probe liquids (diiodomethane, water, and formamide), and then two concepts of interfacial interactions were applied. In the contact angle hysteresis approach (CAH) the apparent total surface free energy was calculated from the advancing and receding contact angles and surface tension of probe liquids. In the Lifshitz-van der Waals/acid-base approach (LWAB) the total surface free energy was calculated from the determined components of the energy, which were obtained from the advancing contact angles of the probe liquids only. Comparison of the results obtained by two approaches provided more information about the changes in the hydrophobicity/hydrophilicity of the layers depending on the number of monolayers and kind of the lipid deposited on the glass surface.It was found that the most visible changes in the surface free energy took place for the first two statistical monolayers irrespectively of the kind of the lipid used. Additionally, in all cases periodic oscillations from layer-to-layer in the lipid surface free energy were observed. The changes in the surface free energy correlated with those in the topography and roughness of lipid layers.     

基于分子动力学和自由能计算研究小分子对HIF-VHL相互作用的抑制机理

蛋白-蛋白相互作用涉及多种生理过程. 其中HIF-VHL作为局部缺血性心脏病的重要靶标得到了学术界和工业界的广泛关注. 本文使用分子动力学模拟和结合自由能计算研究pro-like的小分子抑制剂对VHL-HIF的抑制机理. Pro-like抑制剂能够与HIF竞争性地结合在VHL蛋白上,从而破坏VHL-HIF相互作用. 基于抑制机理给出了pro-like抑制剂的优化策略.     

Theoretical Study of Interaction Between S2 and SiHx (x=1, 2, 3) in Porous Silicon

用密度泛函B3LYP/lanl2dz方法研究了S₂分子与多孔硅中SiH_x (x=1, 2, 3)的相互作用, 构建了表面掺杂有CH₃,Si-O-Si和OH结构的多孔硅模型. 当S₂分子处于模型不同位置时,通过分析结合能和电子迁移发现S₂分子与SiH_x (x=1, 2, 3)的相互作用强于S₂分子与CH₃和OH的相互作用. 利用过渡态理论研究了Si₂H₆+S2→H₃SiH₂SiS+HS反应,得到反应势垒为50.2 kJ/mol.     

Mechanisms of interaction between luteolin and the catalytic zinc ion in matrix metalloproteinases: a computational study

Many experimental studies have found that flavonoids including luteolin can inhibit the activities of matrix metalloproteinases (MMPs), but the related theoretical studies are rather lacking. In this paper, we perform PM6 quantum chemistry calculations together with modeling of ligand‐water exchange reactions to investigate the mechanisms of interaction between luteolin and catalytic zinc ion in MMPs. The calculations show that the electron transfer from the luteolin molecule to the catalytic zinc ion in MMPs occurs when the catalytic zinc ion coordinates with the O atoms of substituent groups at various positions of A, B, and C rings of luteolin molecule. It is found that the more the number of the electron transfer from one coordinating O atom of substituent groups of luteolin molecule to the catalytic zinc ion, the stronger the coordinating ability between them. We further find that comparing with the O atoms of hydroxy groups at 5‐, 7‐, 3′‐, and 4′‐positions of luteolin molecule, the coordinating ability for the O atom of carbonyl group at its 4‐position with the catalytic zinc ion is the strongest, which indicates that when luteolin inhibits MMPs activity, the catalytic zinc ion should coordinate with the carbonyl group at 4‐position of luteolin molecule, rather than the hydroxy groups at its other positions, in agreement with the relevant experimental results reported in previous literature. This paper may be helpful for designing the new MMPs inhibitors having higher biological activities by carrying out the structural modifications of luteolin molecule. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

溶液中CO…CO+体系相互作用的理论研究

在B3LYP/6-311+G水平上利用SCRF方法中的Onsager model模型考察了CO…CO+体系在两种介质(水和苯)中可能存在的相互作用复合物,发现由于H2O与CO+之间存在较强的相互作用,在水中仅能存在一种稳定结构,而在苯溶液中存在三种稳定的复合物.通过消除基函数引起的叠加误差(BSSE)和零点振动能(ZPVE)的校正,精确求算出三种复合物在两种介质中的相互作用能,表明溶剂的性质对复合物的稳定性有着重要的影响.     

水筒中涂层模型降低噪声总声级的研究

我们根据回转体模型的水筒噪声试验，分析了不同低表面能涂层模型在高，低频段代噪声总声级的效果，一些涂层模在高频噪声级降低很多时引起了噪声总声级的降低。     

模拟退火算法在化学自由能模型中的应用

对化学自由能模型进行系统性的研究，着重分析化学反应动态平衡条件下粒子组分的求解方案，提出应用模拟退火算法寻找自由能密度函数极小值点的求解方案.该方案同时解决了两个难题：1）在一级相变区化学势平衡方程组可能遇到多个解而无法甄别其物理意义.通过模拟退火算法定位到自由能密度函数曲面的最低点，因而可从多个解中甄别出稳定的热力学平衡态.2）模拟退火算法用随机的"热涨落"消除初值敏感性，因而可采用同一套初值计算不同的温度密度点，为实现宽区域上大量温度密度点的连续快速计算奠定基础.作为该平衡态求解方案的应用，计算氦流体在"等离子相变"区的物态方程，揭示了丰富的"等离子相变"现象，并与第一性原理计算揭示的氢流体"液液相变"现象进行类比.