蛋白激酶小分子抑制劑選擇性及其JAK2激酶調(diào)控機(jī)制的計(jì)算化學(xué)研究.pdf

1、基于物理學(xué)原理的計(jì)算化學(xué)，其方法和技術(shù)可廣泛應(yīng)用于生物分子體系的模擬研究。在蛋白質(zhì)功能和結(jié)構(gòu)的研究中，可用于蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的同源建模，蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)復(fù)合物的分子對(duì)接，和分子動(dòng)力學(xué)模擬蛋白的柔性及功能分析。在計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)中，基于結(jié)構(gòu)的藥物虛擬篩選已經(jīng)被證明是非常有效的方法。在本論文的研究工作中，我們針對(duì)兩個(gè)很有意義的生物學(xué)問題開發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算方法并開展了研究，一是開發(fā)了一種基于物理學(xué)原理的預(yù)測(cè)激酶抑制劑選擇性的算法;二是設(shè)計(jì)了一套基

2、于結(jié)構(gòu)信息的從頭預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)復(fù)合物的對(duì)接策略。
　　 如何合理設(shè)計(jì)具有選擇性的激酶小分子抑制劑是激酶藥物開發(fā)中一個(gè)具有挑戰(zhàn)性但是很重要的問題。我們開發(fā)的算法主要包括以下步驟:1.選擇具有代表性的處于活性構(gòu)象的激酶晶體結(jié)構(gòu);2.用比較對(duì)接的方法構(gòu)建配體受體復(fù)合物;3.在配體存在下搜索結(jié)合位點(diǎn)的氨基酸構(gòu)象;4.用MM-GB/SA的打分函數(shù)評(píng)估最終的配體和受體之間的結(jié)合自由能。我們首先回顧性地評(píng)價(jià)了這種算法在預(yù)測(cè)17個(gè)常見的激酶

3、小分子抑制劑和143個(gè)激酶選擇性的表現(xiàn)。兩個(gè)相關(guān)性分析參數(shù)，排名前20％的富集因子(EF20)平均值2.81和預(yù)測(cè)指數(shù)(PI)平均值0.35表明我們的算法能夠預(yù)測(cè)一個(gè)激酶小分子抑制劑的選擇性，尤其是對(duì)有選擇性好的抑制劑具有更好的預(yù)測(cè)能力。然后我們將這種算法應(yīng)用到化療藥物米托蒽醌(MX)可能結(jié)合的激酶靶點(diǎn)中。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，我們?nèi)∨琶拔逦坏募っ高M(jìn)行體外活性檢測(cè)。結(jié)果表明米托蒽醌對(duì)PIM1激酶具有低納摩爾級(jí)的抑制活性。同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)米托蒽醌

4、也能在腫瘤細(xì)胞中抑制PIM1底物的磷酸化。我們進(jìn)一步解析了米托蒽醌和PIM1的復(fù)合物品體結(jié)構(gòu)，從而揭示了米托蒽醌抗癌機(jī)制的一種新的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和作用機(jī)制。雖然米托蒽醌最初被認(rèn)為是通過嵌入DNA和抑制Ⅱ型拓?fù)洚悩?gòu)酶起作用的，我們的研究結(jié)果第一次表明米托蒽醌還可能通過抑制PIM1激酶發(fā)揮其抗癌療效和特異性。
　　 蛋白激酶在細(xì)胞內(nèi)行使功能時(shí)是被嚴(yán)格調(diào)控的，包括激酶自身二聚化或寡聚化，其它結(jié)構(gòu)域或蛋白的相互作用。例如JAK2激酶結(jié)構(gòu)域(J

5、H1結(jié)構(gòu)域)就受到相鄰的假激酶結(jié)構(gòu)域(JH2結(jié)構(gòu)域)的調(diào)控，但是具體兩個(gè)結(jié)構(gòu)域之間的作用機(jī)理依然不清楚。我們首先采用MuInf，一種能夠鑒定蛋白扭轉(zhuǎn)角相關(guān)性位點(diǎn)的算法來預(yù)測(cè)JAK2假激酶結(jié)構(gòu)域和激酶結(jié)構(gòu)域可能的變構(gòu)調(diào)節(jié)位點(diǎn)，然后將這些變構(gòu)調(diào)節(jié)位點(diǎn)作為蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)相互作用的界面來構(gòu)建起始模型，隨后我們用蛋白質(zhì)對(duì)接和分子動(dòng)力學(xué)模擬來更合理地修正我們的結(jié)構(gòu)模型。我們構(gòu)建的JAK2復(fù)合物模型揭示了JAK2假激酶結(jié)構(gòu)域自我抑制的可能的一種作用機(jī)

6、制，它通過重要的疏水性作用和廣泛的靜電相互作用將激酶結(jié)構(gòu)域中的活化莖環(huán)限制在非活性狀態(tài)，同時(shí)也阻礙αC螺旋的轉(zhuǎn)動(dòng)。進(jìn)一步的分子動(dòng)力學(xué)模擬表明在大多數(shù)骨髓增生性腫瘤患者中發(fā)現(xiàn)的JAK2的一個(gè)獲得性突變(V617F)，可能通過減弱假激酶結(jié)構(gòu)域的這種抑制作用來激動(dòng)JAK2。重要的是我們用的假激酶結(jié)構(gòu)域在結(jié)合界面上的氨基酸的突變實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這些重要氨基酸的突變確實(shí)能夠激活JAK2激酶活性，并能促進(jìn)用這些突變體轉(zhuǎn)化的BaF3/EpoR細(xì)胞增殖。盡管