分子动力学模拟研究点突变(Met108→Leu108)对树胶醛糖结合蛋白与配体作用的影响

为了研究点突变(Met108→Leu108)对树胶醛糖结合蛋白(ABP)与配体结合能力的影响,对ABP、ABP结合树胶醛糖复合物及ABP结合半乳糖复合物以及它们各自的突变体分别进行60 ns的分子动力学模拟.模拟结果表明,108号残基突变前后,电子等排体的两个氨基酸残基,使蛋白与配体间的范德华相互作用发生明显变化,同时导致蛋白的内部运动也发生变化,进而影响蛋白与配体的相互作用.进一步分析表明,突变前后的蛋白构象变化都趋向于两个结构域张开,而与配体的结合可减缓张开程度.     

Exendin-4中13号残基的分子动力学模拟

Exendin-4作为胰腺GLP-1受体上的一种有效的激活剂, 是一种含有39个氨基酸残基的多肽, 其第13号氨基酸Gln突变为Tyr, 使活性增强. 应用分子动力学模拟方法, 分别优化了突变前后, Exendin-4与蛋白的复合物结构, 并对整体结构的性质、静电势、相互作用模式及能量进行了分析. 阐明了Gln突变为Tyr的活性增强的内在原因, 结果表明, 突变的Exendin-4能够通过改变自身结构的局部柔性调整与蛋白受体相互作用, 从而可以改善Exendin-4与其蛋白受体的结合能力.     

基于分子动力学模拟提高嗜热磷酸三酯酶样内酯酶非特异性底物活力的理论研究

采用分子动力学模拟和拉伸分子动力学模拟方法, 结合分子力学-广义玻恩表面积(MM-GB/SA)方法进行自由能计算和结构交互指纹分析, 研究了模拟过程中非特异性底物(对氧磷/内酯)分别与嗜热磷酸三酯酶样内酯酶(SsoPox)野生型和突变体(W263F/W263T)结合的构象变化, 分析了Loop8中重要残基Trp263的突变提高SsoPox非特异性底物活力的原因, 发现其能够影响门控残基Phe229的构象变化, 导致活性口袋入口变宽(Phe229与Tyr99之间的距离变大), 使对氧磷和内酯更容易结合到蛋白质的活性位点上; Asp256和Arg223形成盐桥的几率高于野生型(WT)SsoPox, 在Arg223(位于Loop7)的协助下质子更加高效地从活性中心的Asp256(位于Loop8)传递到溶剂中去, 因而能够提高SsoPox水解底物的效率. 通过比较2个野生型复合物的结构稳定性和结合自由能差异, 发现在模拟过程中SsoPox与内酯的复合物体系更加稳定并且具有更低的结合自由能, 有利于SsoPox识别底物并使其埋在活性部位的疏水环境中, 促进氢氧化物亲核进攻底物的亲电中心. 因此, 底物与酶稳定的相互作用可能是SsoPox具有天然内酯酶活性的原因之一.     

互为同分异构体的植物雌激素与ERα及ERβ结合亲和力的分子动力学研究

本研究采用分子动力学模拟方法探究了互为同分异构体的2种植物雌激素芹菜素和染料木素与雌激素受体ER_α及ER_β之间的结合亲和力,选择内源性激素17β-雌二醇进行对比研究.研究结果表明,配体中官能团的位置、配体和受体之间形成的氢键数目、范德华能、静电能及溶剂化能等相互作用影响复合物的稳定性,进而影响结合能力.     

拉伸分子动力学模拟配体-受体相互作用

配体和受体之间的相互作用研究有助于阐明配体的作用机理, 为合理药物设计提供线索. 新发展的拉伸分子动力学模拟使原来在微秒至秒时间范围内发生的生物化学过程可以在纳秒尺度内进行模拟, 从而动态再现目前实验所无法提供的配体与受体的结合或解离过程. 文中通过详细介绍拉伸分子动力学方法对石杉碱甲与乙酰胆碱酯酶结合和解离过程以及HIV-1逆转录酶和其非核苷酸类似物抑制剂α-APA解离过程的成功模拟, 综述拉伸分子动力学模拟在研究配体和受体相互作用中的应用.     

GPCR A2A AR腺苷受体蛋白的激动剂结合及其诱导的蛋白活性开关构象变化

运用分子动力学模拟,研究了腺苷酸（激动剂）与A2AAR腺苷受体蛋白的相互作用和配体结合诱导的蛋白动力学变化．识别了与腺苷酸结合力强于0．5kcal／mol的关键基团：A63^2．61,I66^2．64,V84^3.32,L85^3.33,T88^3.36,F168^5.29,M177^5.38,L249^6.51,H250^6.52和N253^6.55,观察到腺苷酸没有与L167^5.28相互作用,这一结果支持了L167^5.28是抑制剂特异性结合位点,不与激动剂结合．未结合配体（激动剂或抑制剂）的单体A2AAR和腺苷酸结合后的A2AAR在构象上有三个不同功能性开关．腺苷酸结合可以诱导A2AAR腺苷受体蛋白的构象调整,使得三个功能性开关器件的构象与单体A2AAR不同．     

促红细胞生成素(EPO)受体(EBP)激活剂的理论突变设计

采用分子动力学模拟的方法, 构建了人促红细胞生成素模拟肽与其受体胞外结合片段的相互作用的分子动力学模型. 通过对该模型的结构研究和理论分析, 对模拟肽与受体结合机制提出了新的理论解释. 根据EBP活性口袋的静电势分布, 对二聚体小肽激活剂的每条链上的部分氨基酸进行了突变, 分别用电性更强的氨基酸来代替部分疏水氨基酸, 计算结果显示, 突变后的二聚体小肽激活剂对EBP的“亲和力”明显增强.     

分子对接法和光谱法研究BRCA1846-871及其五突变肽与RAD51181-200相互作用

影响RAD51蛋白的修复功能,可有效改善肿瘤细胞对化疗药物的耐受性。利用计算机模拟BRCA1~(846-871)关键肽段五个活性位点的突变,通过分子对接法筛选出与RAD51~(181-200)相互作用较强的9条五突变肽。采用固相合成法合成目标多肽,利用反相高效液相色谱(RP-HPLC)技术分离、纯化得到纯度大于93%的纯品肽,电喷雾电离质谱(ESI-MS)技术进行表征。通过荧光光谱法和圆二色光谱法(CD)研究BRCA1~(846-871)及其五突变肽与RAD51~(181-200)的相互作用。荧光谱图显示,除P6外,其余配体均与受体RAD51~(181-200)发生静态猝灭。在室温下,P1 (4.17×10~4 L·mol~(-1))、P4 (7.61×10~4 L·mol~(-1))和P5 (1.19×10~4 L·mol~(-1))与受体RAD51~(181-200)结合较强。圆二色光谱图显示,P1、P4和P5使受体RAD51~(181-200)的α-螺旋结构含量降低非常明显,从60.5%分别下降为35.7%、36.3%和36.4%,BRCA1~(846-871)、P3、P6和P9对受体α-螺旋结构含量影响较小,从60.5%分别下降为56.3%、55.6%、55.6%和54.6%,而P2、P7和P8对受体α-螺旋结构含量几乎不产生影响。综合光谱分析结果可知,配体P4与受体RAD51~(181-200)的相互作用最强。     

HIV-1整合酶G140A/G149A及T661/S153Y突变后的构象变化

对HIV-1整合酶(IN)野生体(WT),G140A/G149A和T66I/S153Y突变体分别进行了5 ns的分子动力学(MD)模拟,并用成簇和动力学交叉相关图(DCCM)分析了突变前后的构象变化.整体结构分析表明,突变后IN的活性口袋尺寸变化不大,T66I/S153Y突变体分子的整体运动性提高,而G140A/G149A突变体的功能loop区柔性明显上升.IN WT的方均根涨落(RMSF)模拟值与B因子实验值的较高相关性证明了柔性分析的合理性.通过成簇分析发现,IN在突变后功能loop区构象有开合运动,构象开放的概率是:体系G140A/G149A＞T66I/S153Y＞WT.最后DCCM分析结果表明,功能性分区的弱化以及DDE基序残基运动相关性的降低均有可能是突变体G140A/G149A和T66I/S153Y产生抗药性的原因.模拟结果对理解IN突变体的抗药机理以及为基于HIV-1 IN的药物分子设计提供了理论帮助.     

HIV-1整合酶G140A/G149A及T66I/S153Y突变后的构象变化

对HIV-1整合酶(IN)野生体(WT), G140A/G149A和T66I/S153Y突变体分别进行了5 ns的分子动力学(MD)模拟, 并用成簇和动力学交叉相关图(DCCM)分析了突变前后的构象变化. 整体结构分析表明, 突变后IN的活性口袋尺寸变化不大, T66I/S153Y突变体分子的整体运动性提高, 而G140A/G149A突变体的功能loop区柔性明显上升. IN WT的方均根涨落(RMSF)模拟值与B因子实验值的较高相关性证明了柔性分析的合理性. 通过成簇分析发现, IN在突变后功能loop区构象有开合运动, 构象开放的概率是: 体系G140A/G149A＞T66I/S153Y＞WT. 最后DCCM分析结果表明, 功能性分区的弱化以及DDE基序残基运动相关性的降低均有可能是突变体G140A/G149A和T66I/S153Y产生抗药性的原因. 模拟结果对理解IN突变体的抗药机理以及为基于HIV-1 IN的药物分子设计提供了理论帮助.     

Y220C突变体影响p53C蛋白质构象转换的分子动力学模拟

p53是迄今发现突变频率最高的一种肿瘤抑制蛋白质,突变会导致p53抑癌功能丧失并诱导癌症的发生。绝大多数的突变发生在p53的核心DNA结合区域（p53C）,其中Y220C是研究较多的一种突变体。虽然已有研究表明该突变能够降低p53C的结构稳定性,但其影响p53C构象转换的分子机制尚不清晰。本文利用分子动力学（MD）模拟方法研究了p53C突变体Y220C（p53C-Y220C）的结构变化,发现Y220C突变主要影响Y220C cluster区域（包括残基138-164和215-238）,且Y220C突变减少了Y220C cluster的β-折叠含量。进一步分析发现,Y220C突变不仅直接破坏突变氨基酸与周围氨基酸Leu145和Thr155之间的氢键,而且降低了Y220C cluster区域的折叠片S3和S8之间的氢键数量,使Y220C突变所形成的亲水性空腔变大,加速了水分子进入该蛋白质内部,并最终导致了p53C-Y220C变性。MD模拟结果揭示了Y220C突变影响p53C结构转换的分子机制,该研究对p53C-Y220C突变体高效稳定剂的筛选和设计具有重要意义。     

分子动力学模拟残基突变对芳香烃受体配体结合区的影响

芳香烃受体(Aryl hydrocarbon receptor,AhR)属于配体依赖性的转录因子蛋白。本文通过对AhR配体结合区域(Ligand binding domain,LBD)的结构功能及物种特异性分析,发现在其结合腔口有一些关键残基可能起到"门控"作用,进一步将野生型(WT)和3个突变模型(Phe289Ala、Tyr316Ala、Ile319Ala)进行分子动力学模拟,从蛋白稳定性、蛋白结构变化、蛋白结合腔变化及蛋白和配体结合能力4个方面分析3个残基的门控作用。研究发现,Phe289、Tyr316、Ile319氨基酸残基通过形成疏水作用为AhR LBD起到"门控"作用;而将这些氨基酸分别突变后,其蛋白稳定性降低,整体运动性增加,配体亲和力减弱,其中Tyr316、Ile319对腔内体积影响较大,Phe289使腔内环境稳定性降低。本研究可为基于芳香烃受体的药物设计提供相关理论指导。     

突变对嗜热古菌蛋白[P62A]Ssh10b主链构象影响的核磁共振研究

嗜热古菌蛋白Ssh10b突变体[P62A]Ssh10b具有良好的热稳定性. [P62A]Ssh10b的结构测定结果显示, 其α2螺旋上残基K48和D51之间形成了一对盐键, 而且, 突变D51将影响蛋白的热稳定性. 为了探索D51的突变对蛋白热稳定性的影响, 构建了突变体[D51N/P62A]Ssh10b的质粒, 并获得了高纯度的15N和13C双标记[D51N/P62A]Ssh10b. 通过对异核三共振NMR实验数据的解析, 完成了对[D51N/P62A]Ssh10b的主链共振近乎完全的指认. 比较突变以及未突变蛋白质的主链1HN和15N化学位移, 在[P62A]Ssh10b的结构基础上进行分析发现, D51N突变显著地影响了α2螺旋骨架构象, 并进一步影响到古菌Lβ2α2loop区域、β4 的N端区域、Lβ3β4 loop的C端区域以及β3与Lβ3β4 loop的交界区域. 结果表明, 由于D51N突变破坏了α2螺旋上K48和D51之间的盐键, 影响了[D51N/P62A]Ssh10b的α2螺旋构象, 并影响到蛋白的其它相关部位的局部构象, 说明 [P62A]Ssh10b 的高热稳定性可能与其溶液构象密切相关. 为进一步运用NMR研究[D51N/P62A]Ssh10b分子结构特性与耐热机制间的关系奠定了基础.     

基于快速定点突变研究含硒人Zeta型谷胱甘肽硫转移酶1c-1c的催化活性

先将人Zeta型谷胱甘肽硫转移酶1c-1c(hGSTZ1c-1c)中非催化中心的Cys-137,Cys-154,Cys-165和Cys-205突变为Ser,然后将催化中心14,15和17位的3个氨基酸残基突变为Cys,再利用半胱氨酸缺陷型大肠杆菌表达系统将其特定地转化为Sec,即把GPx的催化基团引入到hGSTZ1c-1c中,高效地获得了具有谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)活力的模拟酶.其中制备的3个含硒突变体15C,14C/15C和17C均显示出明显的GPx活力.对非含硒突变体性质研究发现,Ser-14或Ser-15任何一个残基发生突变都会导致hGSTZ1c-1c的GST活力几乎丧失,表明Ser-14和Ser-15在催化反应中发挥着重要作用,但前者主要参与底物结合,后者更侧重于催化.     

基于定点突变的抗克百威单链抗体的亲和力成熟

为获得亲和力更高的抗克百威(CBF)单链抗体(scFv), 从抗CBF scFv氨基酸序列出发, 通过同源模建获得抗体模型, 找出抗体中的活性口袋区域, 进而将小分子药物与抗体进行分子对接, 发现疏水作用和氢键对于抗体亲和力具有重要作用. 进一步对口袋内亲水氨基酸残基HArg40和LHis38进行模拟替换, 再进行分子对接分析, 发现当以亮氨酸为突变氨基酸时, 对接评分最高. 在此基础上, 通过构建突变scFv基因及可溶性表达, 采用ELISA法对进化后的单链抗体(evoscFv)进行了鉴定. 结果表明, evoscFv对CBF的IC₅₀值为18.11 μg/L, 低于野生型抗体的27.25 μg/L, 亲和解离常数K_d为4.06×10^-8 mol/L, 相对亲和力比野生型scFv提高了2.23倍, 说明通过分子对接分析及对抗体活性口袋中氨基酸残基进行替换, 获得了一个亲和力更高的突变体抗体.     

Hydroxamate类抑制剂与MMP-3的结合自由能的计算

用自由能微扰方法(FEP)计算了两种hydroxamate类的抑制剂和MMP-3的相对结合自由能。在计算中,对于催化区的锌离子与其共价结合的配体(包括抑制和组氨酸)采用了键合的模型,抑制剂和周围配体的部分电荷的计算采用两步静电势收敛方法。自由能计算采用了慢增长(Slowgrowth)和固定窗口增长(Fixedwidthwindowgrowth)两种方法,并且在每次计算中都采用了双向采样(Double-widesampling)的策略。两种方法计算得到的相对结合自由能都能和实验值很好的符合。同时从动力学模拟的得到的分子轨迹得到了抑制剂和受体之间相互作用模式,抑制剂的P1部分可以和受体的S1'口袋形成很强范德华和疏水相互作用,P1上的苯环可以和Tyr223上的苯环形成较好的π键堆积相互作用。     

光谱学结合分子动力学研究秋水仙碱与血红蛋白之间相互作用机制

本文通过分子光谱、分子对接以及分子动力学模拟等技术手段探究了秋水仙碱与血红蛋白(Hb)之间相互作用的模式与机制。分子光谱和非辐射能量转移理论研究结果表明秋水仙碱通过范德华力与Hb结合,并导致Hb的构象发生改变。分子对接和分子动力学研究发现秋水仙碱在Hb的中央空腔与其形成稳定的复合物,并导致Hb的结构变得紧密,从而驱动Hb二级结构中的α-螺旋、β-转角、弯曲、无规则卷曲等结构的含量发生显著变化。Hb的某些氨基酸残基如:Trp37(β2)、Ala130(α2)、Pro90(α1)、Thr137(α1)、Tyr35(β2)等在它们结合的过程中发挥着至关重要的作用。实验数据和模拟研究结果相互印证,为进一步揭示秋水仙碱在生物体内的作用机制提供重要信息和参考依据。     

窄带隙二噻吩并吡咯共聚物合成与光伏性能研究

二噻吩[3,2-b:2′,3′-d]并吡咯(Dithieno[3,2-b:2′,3′-d]pyrrole,DTP)分别与3种受体单元聚合得到聚合物P1~P3,受体单元分别为:吡咯并吡咯二酮(DPP)、二噻吩苯并噁二唑(DTBO)和喹喔啉衍生物(TQ).研究表明,3种聚合物都有较窄的带隙(P1:1.23 e V,P2:1.51 e V,P3:1.50 e V),有利于活性层材料对太阳光的吸收,其中P1获得了最宽的吸收(近1000 nm).将P1~P3与PC71BM共混制备光伏器件,当给受体比例为1∶3时,基于P1的光伏器件短路电流密度(short-circuit current density,JSC)为15.82 m A/cm~2,开路电压(open-circuit voltage,VOC)为0.38 V,能量转化效率(power conversion efficiency,PCE)达到3.33%,为3种聚合物中最高的效率.对于聚合物P2和P3,在给受体比例为1∶2时,光伏性能最好,此时P2与P3的PCE值分别为1.20%和1.37%,导致较低光电转换效率的因素是短路电流密度JSC(P2:9.70 m A/cm~2,P3:9.21 m A/cm~2)和开路电压VOC(约0.3 V)过低.     

基于同源建模和定点突变技术研究嗜热型L-阿拉伯糖异构酶与D-半乳糖的亲和作用

通过同源建模分析选取对Lactobacillus fermentum CGMCC2921来源的L-阿拉伯糖异构酶(简称L-AI酶)催化D-半乳糖生产D-塔格糖起重要作用的氨基酸位点进行突变,发现当Q16,M311,K423和Q438位点的氨基酸突变为丙氨酸时,突变酶Km值降低,其中突变酶M311A降至本体的51.6%,对D-半乳糖的转化率提高了18.7%.当K423位点的氨基酸残基分别突变为丙氨酸、天冬酰胺或精氨酸时,突变酶与底物的亲和力以及D-半乳糖的转化率随着423位点突变氨基酸侧链长度的增加而降低.运用计算机分子模拟技术分析表明,当M311位点氨基酸突变为丙氨酸以后,催化位点氨基酸残基与底物D-半乳糖之间的氢键作用增强,导致与底物亲和力增大,从而提高了酶活力.     

G-蛋白偶联受体GPR120分子模建研究

新的长链脂肪酸受体G-蛋白偶联受体120 (G-protein-coupled receptor120, GPR120)是2型糖尿病的潜在治疗靶标. 由于其晶体结构迄今尚未获得, 成为基于结构的新药设计的瓶颈. 首先, 以人体β2肾上腺能素受体(human β2 adrenergic receptor, β2AR)晶体结构为模板, 通过同源模建方法构建GPR120三维结构, 对整个体系进行包膜的分子动力学模拟. 然后采用分子对接技术模建了GPR120的小分子激动剂GW9508与GPR120的相互作用模型, 发现了受体分子识别的关键性残基, 为开展定点突变实验提供了指导意义. 所建模型为研究受体与配体作用提供了合理的初始结构, 此方法也适用于其他G蛋白偶联受体的分子模建.