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-45.19 kJ/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(-24.35 kJ/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.     

双金属存在下整合酶和抑制剂5CITEP的分子对接研究

在HIV-1整合酶(IN)和5CITEP复合物晶体结构的基础上, 用分子对接程序(Affinity)将含有单Mg2+和双Mg2+ 的HIV-1 IN核心区与抑制剂5CITEP进行对接, 获得了能形成复合物结构的理论模型. 通过配体与受体之间的相互作用能和结构分析给出此种抑制剂的结合模式, 并与晶体结构进行比较, 揭示出引入的第二个Mg2+原子在整合过程中所起的重要作用. 前后相互作用能的变化趋势很明显, 配体和受体的作用模式比单Mg2+体系更加清晰. 由单Mg2+体系的4种作用方式改变到双Mg2+体系的两种作用方式, 相互作用能提高了将近40 kJ/mol. 为基于整合酶结构的药物设计提供了参考信息.     

HIV-1整合酶与芳香二酮酸类抑制剂相互作用的分子模拟研究

用分子对接方法研究了一系列芳香二酮酸类抑制剂与HIV-1整合酶的识别及相互作用. 结果表明, 抑制剂结合到整合酶Asp64～Leu68, Thr115～Phe121, Gln148～Lys159和Mg2＋所构成的口袋区, 抑制机理与5CITEP相似. 采用分子动力学模拟和MM/PBSA方法计算了芳香二酮酸类抑制剂与整合酶之间的结合自由能, 计算结果与实验值相吻合, 平均绝对偏差为3.6 kJ/mol, 体系范德华相互作用和溶剂化效应的非极性项是利于形成复合物的主要因素. 相关性分析结果表明, 结合自由能值与疏水相互作用有较强的线性相关(R＝0.61), 基于此, 用多元线性回归方法给出了一个能较强预测芳香二酮酸类抑制剂与HIV-1整合酶的结合自由能预测模型, 为后续基于抑制剂结构的抗HIV-1药物分子设计提供指导.     

用分子模拟方法研究HIV-1整合酶与咖啡酰基类抑制剂的相互作用

用分子对接和分子动力学(MD)模拟方法研究了一类咖啡酰基和没食子酰基类HIV-1整合酶抑制剂与整合酶之间的相互作用模式, 结果表明该类抑制剂分子上的两个侧链基团(咖啡酰基或没食子酰基)与整合酶的DDE基序之间的相互作用对抑制整合酶活性起到关键作用. 当侧链基团为没食子酰基时, 可以提高该类抑制剂与整合酶的结合能力. 采用线性相互作用能方法(LIE)计算了该类抑制剂与整合酶之间的结合自由能, 预测值与实验值相吻合, 均方根偏差RMSD为1.39 kJ•mol^-1, 以上结果可为基于结构的HIV-1整合酶抑制剂设计提供有用的信息.     

金属离子对HIV-1整合酶与硫氮硫扎平抑制剂作用模式影响的分子模拟研究

HIV-1整合酶（IN）通过依赖金属离子的两步反应将病毒DNA整合入宿主细胞过程中。结合于HIV-1上的金属离子个数的变化直接影响整合酶与抑制剂之间的结合。本工作用同源模建方法搭建了每条单链核心区具有两个Mg2+ 的（2Mg-IN-Core）和具有一个Mg2+ 的HIV-1 IN二聚体核心区模型（1Mg-IN-Core）。分子对接分别得到它们与硫氮硫扎平类化合物能量较低的复合物结构,把对接结果进行了比较。研究发现：当整合酶中结合的Mg2+个数改变时,它与抑制剂的结合模式也会发生很大的变化;抑制剂能够特异的且稳定的与2Mg-IN-Core模型的活性位点结合;同时与ASP64和GLU152螯合的那个Mg2+离子对于硫氮硫扎平抑制剂与整合酶上的结合有很大的影响。2Mg-IN-Core模型与抑制剂的复合物平均结构进行了2000 ps的 分子动力学模拟,分析发现同时与ASP64及ASP116螯合的Mg2+与IN蛋白形成了四个稳定的螯合键;同时与ASP64及GLU152螯合的Mg2+可与IN结合、也可与抑制剂形成稳定的配位键,这个Mg2+对IN与硫氮硫扎平抑制剂之间的结合有较大影响。     

洋刀豆脲酶与抑制剂相互作用的分子对接和分子动力学研究

通过洋刀豆脲酶抑制剂的筛选实验得到具有较好抑制活性的化合物2-乙酰基-γ-丁内酯(COM), 其半数抑制浓度在微摩尔浓度级别(IC₅₀＝375 μmol•L^－l). 在此基础上, 使用分子对接和分子动力学(MD)模拟的方法研究洋刀豆脲酶与抑制剂乙酰氧肟酸(AHA)及活性化合物COM之间的相互作用. 用Gold3.0程序将两个小分子与洋刀豆脲酶的晶体结构进行对接, 对接得到的复合物模型使用Amber程序进行MD模拟研究. 模拟过程中, 脲酶结构中的双核镍离子活性中心选用non-bonded模型. 研究结果显示: AHA与洋刀豆脲酶结合时, Ni(1)和Ni(2)均为五配位|COM与洋刀豆脲酶结合时Ni(1)为五配位, Ni(2)为六配位的结合模型更加合理. 这些研究为了解洋刀豆脲酶与抑制剂之间的相互作用提供了重要的参考信息.     

腺苷酸琥珀酸合成酶与其抑制剂的分子机制研究

利用密度泛函B3LYP方法选择6-31G(d)基组对腺苷酸琥珀酸合成酶(AdSS)天然抑制剂及其衍生物的结构进行优化,并对其稳定性进行了分析,同时采用Mulliken键序、原子电荷分布、表观静电势等对AdSS抑制剂及其衍生物电子结构与其生物活性相关性进行了理论研究.基于腺苷酸琥珀酸合成酶(AdSS)与其底物肌苷单磷酸(IMP)复合物的晶体结构以及获得的天然抑制剂衍生物稳定构象,利用分子对接、分子力学优化及常温分子动力学模拟对AdSS酶与天然抑制剂及其衍生物的相互作用复合物结构进行理论预测.结果表明,AdSS酶的系列抑制剂中磷酸根基团和乙内酰脲(Hydantoin)官能团构成药效团模型,识别过程中范德华相互作用能的贡献大于静电相互作用能.     

十二烷基苯磺酸钠和无机阳离子之间相互作用的密度泛函理论研究

研究阴离子表面活性剂和阳离子之间的相互作用对于理解阴离子表面活性剂的沉淀和溶解现象具有十分重要的理论和实际意义,但关于两者相互作用的相关理论模型鲜有报道。本文采用密度泛函理论(DFT)方法研究了十二烷基苯磺酸根阴离子(DBS^-)与阳离子(Na⁺, Mg²⁺和Ca²⁺)在溶液内及气/液界面处的相互作用。在溶液内,在两种不同溶液环境中(水相和正十二烷)构建DBS^-/阳离子相互作用模型,并对其进行优化。结果表明, DBS^-能够与阳离子以双齿结构稳定结合。DBS^-与阳离子的结合能不仅取决于参与的无机盐离子种类,还与溶剂的性质有关。在气/液界面处, DBS^-与六个水分子相互作用形成的水合物DBS^-·6H₂O最为稳定。但是,无机盐离子的引入会严重破坏DBS^-·6H₂O水合物的水化层结构。本文定义无量纲参量def用来对水化层结构的变化程度进行评价。无机盐离子对DBS^-·6H₂O水化层结构破坏程度的顺序为:Ca²⁺ > Mg²⁺ >Na⁺。电荷分析结果表明水化层在十二烷基苯磺酸钠(SDBS)头基与阳离子的相互作用中起了重要作用。     

腺苷酸激酶催化循环后期Mg2+转移的分子动力学模拟

腺苷酸激酶是一个包含三个结构域(LID结构域、NMP结构域和CORE结构域)的蛋白质分子,其主要作用是催化化学反应Mg²⁺ + ATP + AMP ⇌ 2ADP + Mg²⁺,进而将细胞内ATP分子的浓度维持在合适的范围内。在腺苷酸激酶催化上述化学反应的过程中,需要有Mg²⁺的参与。最近的实验发现Mg²⁺不仅参与上述反应的化学步骤,而且对化学反应发生后底物的释放过程至关重要。已有晶体结构数据显示,在催化循环过程的化学反应步骤完成后,一个Mg²⁺可同时和分别位于LID结构域及NMP结构域的两个ADP分子配位。然而,在底物的释放与分离过程中, Mg²⁺可能只与其中一个ADP分子结合。由于Mg²⁺与ADP分子的结合情况会在很大程度上影响作为催化循环限速步骤的底物释放过程,因此人们有必要研究清楚在底物释放前Mg²⁺与催化产物ADP分子的配位情况,即Mg²⁺更倾向于与LID结构域的ADP分子结合还是与NMP结构域的ADP分子结合。本文中,我们对催化反应后底物释放前的酶-底物复合物(包含酶、两个ADP分子以及Mg²⁺)做了分子动力学模拟研究。我们基于metadynamics方法得到了Mg²⁺在两个ADP分子间转移的自由能面,发现在底物分离与释放过程中, Mg²⁺更倾向于与LID结构域的ADP分子结合。只有当LID结构域的ADP分子被质子化,同时NMP结构域的ADP分子处于去质子化状态时, Mg²⁺才会倾向于与NMP结构域的ADP分子结合。另外,我们也刻画了Mg²⁺转移过程中配体交换与脱水过程。本工作的研究结果有助于理解腺苷酸激酶催化循环后期的分子过程。     

分子动力学模拟电解质对阴非离子表面活性剂界面行为的影响

通过分子动力学(MD)方法研究了不同类型电解质对阴非离子表面活性剂C₁₂EO₃C油水界面性能的影响。运用z轴质量密度分布、径向分布函数、分子间相互作用配位数、空间分布函数及均方根位移五种模拟参数来分析电解质与阴非离子表面活性剂的相互作用情况。研究表明,三种离子的加入均对水分子与表面活性剂亲水基形成的水化层结构产生影响,且从微观层面验证三种离子对表面活性剂亲水基相互作用强度大小顺序为Na⁺ < Ca²⁺ < Mg²⁺。通过扩散模拟结果可以较好地解释离子加入对界面张力平衡时间的影响情况。这对指导实验方向、制订最佳复配方案具有重要意义。     

靶向整合过程不同步骤的HIV-1整合酶抑制剂的结构类型和研究进展

HIV-1整合酶是病毒复制所必需的三个基本酶之一, 为病毒所特有, 人体无对应的酶, 因此整合酶是理想的抗HIV药物设计的新靶标. HIV-1整合酶催化病毒DNA插入宿主染色体的过程涉及到整合酶与前病毒DNA形成整合前复合物、病毒DNA的3’末端切断和DNA链转移等步骤, 目前研究得最多的HIV-1整合酶抑制剂是抑制链转移反应的芳基二酮酸化合物, 其中的电子等排体衍生物Raltegravir (MK-0518)于2007年10月被美国食品药品管理局(FDA)批准上市, 而GS-9137处于三期临床试验, 此外还有多个处于临床前研究和临床阶段的药物. 根据抑制剂的不同作用机理, 本综述介绍了近年来所报道的HIV-1整合酶抑制剂的结构类型、药效团模型、研究进展及化学合成, 将整合酶抑制剂分为链转移反应抑制剂、整合酶-DNA结合抑制剂、整合酶3’端切除反应抑制剂、非专一性整合酶抑制剂以及多肽类抑制剂等几大类. 其中链转移反应抑制剂结构类型最丰富、发展最快. 整合酶抑制剂的出现丰富了高效抗逆转录病毒疗法(HAART), 为多重抗药性艾滋病患者提供了新的有效的治疗方案.     

De novo design based identification of potential HIV-1 integrase inhibitors: A pharmacoinformatics study

In the present study, pharmacoinformatics paradigms include receptor-based de novo design, virtual screening through molecular docking and molecular dynamics (MD) simulation are implemented to identify novel and promising HIV-1 integrase inhibitors. The de novodrug/ligand/molecule design is a powerful and effective approach to design a large number of novel and structurally diverse compounds with the required pharmacological profiles. A crystal structure of HIV-1 integrase bound with standard inhibitor BI-224436 is used and a set of 80,000 compounds through the de novo approach in LigBuilder is designed. Initially, a number of criteria including molecular docking, in-silico toxicity and pharmacokinetics profile assessments are implied to reduce the chemical space. Finally, four de novo designed molecules are proposed as potential HIV-1 integrase inhibitors based on comparative analyses. Notably, strong binding interactions have been identified between a few newly identified catalytic amino acid residues and proposed HIV-1 integrase inhibitors. For evaluation of the dynamic stability of the protein-ligand complexes, a number of parameters are explored from the 100 ns MD simulation study. The MD simulation study suggested that proposed molecules efficiently retained their molecular interaction and structural integrity inside the HIV-1 integrase. The binding free energy is calculated through the Molecular Mechanics Poisson-Boltzmann Surface Area (MM-PBSA) approach for all complexes and it also explains their thermodynamic stability. Hence, proposed molecules through de novo design might be critical to inhibiting the HIV-1 integrase.     

Crystal and electronic structures of magnesium(II), copper(II), and mixed magnesium(II)-copper(II) complexes of the quinoline half of styrylquinoline-type HIV-1 integrase inhibitors

A new target in AIDS therapy development is HIV-1 integrase (IN). It was proven that HIV-1 IN required divalent metal cations to achieve phosphodiester bond cleavage of DNA. Accordingly, all newly investigated potent IN inhibitors contain chemical fragments possessing a high ability to chelate metal cations. One of the promising leads in the polyhydroxylated styrylquinolines (SQLs) series is (E)-8-hydroxy-2-[2-(4,5-dihydroxy-3-methoxyphenyl)-ethenyl]-7-quinoline carboxylic acid (1). The present study focuses on the quinoline-based progenitor (2), which is actually the most probable chelating part of SQLs. Conventional and synchrotron low-temperature X-ray crystallographic studies were used to investigate the chelating power of progenitor 2. Mg2+ and Cu2+ cations were selected for this purpose, and three types of metal complexes of 2 were obtained: Mg(II) complex (4), Cu(II) complex (5) and mixed Mg(II)-Cu(II) complexes (6 and 7). The analysis of the crystal structure of complex 4 indicates that two tridentate ligands coordinate two Mg2+ cations, both in octahedral geometry. The Mg-Mg distance was found equal to 3.221(1) A, in agreement with the metal-metal distance of 3.9 A encountered in the crystal structure of Escherichia coli DNA polymerase I. In 5, the complex is formed by two bidentate ligands coordinating one copper ion in tetrahedral geometry. Both mixed Mg(II)-Cu(II) complexes, 6 and 7 exhibit an original arrangement of four ligands linked to a central heterometallic cluster consisting of three octahedrally coordinated magnesium ions and one tetrahedrally coordinated copper ion. Quantum mechanics calculations were also carried out in order to display the electrostatic potential generated by the dianionic ligand 2 and complex 4 and to quantify the binding energy (BE) during the formation of the magnesium complex of progenitor 2. A comparison of the binding energies of two hypothetical monometallic Mg(II) complexes with that found in the bimetallic magnesium complex 4 was made.     

HIV-1病毒DNA与整合酶结合后的构象变化

用分子动力学(MD)模拟方法优化了HIV-1病毒DNA与整合酶(IN)二聚体(IN2)复合物模型结构, 并分析了HIV-1病毒DNA结合IN2后的构象变化. 结果表明, 按照HIV-1病毒DNA与IN2结合能力的强度, 病毒DNA可分为五个区域: 非结合区、强结合区1、弱结合区、强结合区2和反应区, 并用结合自由能计算验证了该分区的合理性. 与未结合IN2的病毒DNA相比, 复合物模型中病毒DNA除了非结合区碱基外, 其它四个区域的碱基构象变化较大. 复合物模型中病毒DNA主链较大程度地偏离标准B型DNA以及结合部位的小沟变宽都是识别IN的结构基础. 模拟结果与实验数据吻合较好, 为基于HIV-1 IN的药物分子设计提供了一定的结构信息.     

A quantum mechanics/molecular mechanics study of the protein-ligand interaction for inhibitors of HIV-1 integrase

Human immunodeficiency virus type-1 integrase (HIV-1 IN) is an essential enzyme for effective viral replication. Diketo acids such as L-731,988 and S-1360 are potent and selective inhibitors of HIV-1 IN. In this study, we used molecular dynamics simulations, within the hybrid quantum mechanics/molecular mechanics (QM/MM) approach, to determine the protein-ligand interaction energy between HIV-1 IN and L-731,988 and 10 of its derivatives and analogues. This hybrid methodology has the advantage that it includes quantum effects such as ligand polarisation upon binding, which can be very important when highly polarisable groups are embedded in anisotropic environments, as for example in metal-containing active sites. Furthermore, an energy decomposition analysis was performed to determine the contributions of individual residues to the enzyme-inhibitor interactions on averaged structures obtained from rather extensive conformational sampling. Analysis of the results reveals first that there is a correlation between protein-ligand interaction energy and experimental strand transfer into human chromosomes and secondly that the Asn-155, Lys-156 and Lys-159 residues and the Mg(2+) ion are crucial to anti-HIV IN activity. These results may explain the available experimental data.     

In silico virtual screening of potent inhibitor to hamper the interaction between HIV-1 integrase and LEDGF/p75 interaction using E-pharmacophore modeling,molecular docking,and dynamics simulations

The rapid increase of HIV-1 infection throughout the globe has a high demand for a superior drug with lesser side effects. LEDGF/p75, the human Lens Epithelium-Derived Growth Factor is identified as a promising cellular cofactor with integrase in facilitating the viral replication in an early stage by acting as a tethering factor in the pre-integration to the chromatin. Therefore, the present study was designed to identify a potent inhibitor by applying an E-pharmacophore based virtual screening, molecular docking, and dynamics simulation approaches. Finally, ZINC22077550 and ZINC32124441 were best identified potent molecules with the efficient binding affinity, strong hydrogen bonding, and acceptable pharmacological properties to hamper the interaction between integrase and LEDGF/p75. Further, the DFT and MDS studies were also analyzed, and shown a favorable energetic state and dynamic stability then reference compound. In conclusion, we suggest that these findings could be novel therapeutics in the future and may increase the lifespan of individuals suffering from viral infection.