计算方法研究HIV-1蛋白酶及其变异与小分子GRL-0519的相互作用

艾滋病病毒在世界范围内的传播,严重地威胁到人们的身心健康.HIV-1蛋白酶的残基变异严重地削弱了药物的治疗效果.为了研究残基变异D30N、I54M和V82A对蛋白酶结合抑制剂GRL-0519的影响,本研究进行了4个30 ns的分子动力学(MD)模拟,并采用溶解相互自由能(SIE)方法计算了蛋白酶和抑制剂的结合能.计算结果表明,极性相互作用不利于变异的蛋白酶结合抑制剂,而对于野生型的蛋白酶(WT),极性相互作用有微弱的贡献,极性相互作用是残基变异抗药性的主要原因,计算得到的总结合能与实验的数据一致.为了说明每个残基在抗药性中的贡献,采用分子力场的方法计算了每一个残基与小分子作用的范德华作用能,并分析了抑制剂与蛋白酶形成的氢键.范德华作用分析表明,V82A残基变异对结合模式的影响较小,相对于WT,D30N有5个残基的范德华贡献差异大于0.4 kcal/mol,I54M残基变异的蛋白酶有6个残基.氢键的分析说明,D30N和I54M变异丢失了几个氢键;范德华作用和氢键的分析结果与SIE的计算结果一致.研究结果为设计新的更有效的抗HIV-1蛋白酶变异的抑制剂提供了理论指导.     

结合分子相似性、药效团和分子对接筛选新的HIV-1蛋白酶抑制剂

结合分子相似性、药效团和分子对接建立兼顾计算效率和预测准确度的HIV-1蛋白酶抑制剂筛选方法。首先通过对现有HIV-1蛋白酶抑制剂分子进行相似性分析,选取代表性的HIV-1蛋白酶抑制剂作为模板分子,构建和优化药效团模型,并从1万个化合物中优先筛选出500个化合物。而后采用分子对接方法进一步考察化合物与HIV-1蛋白酶结合情况,得到4个新的活性候选化合物,并进行其结合自由能计算和抗突变性分析。结果表明新候选化合物ST025723和HIV-1蛋白酶表现出较好的相互作用和抗突变性,具有深入研究的价值,同时也证明分子相似性、药效团和分子对接相结合能够快速有效地发现新颖活性候选化合物。     

HIV-1跨膜蛋白gp41与N-取代吡咯衍生物的结合模式研究

采用分子对接,分子动力学(MD)模拟和分子力学/泊松-波尔兹曼溶剂可有面积方法与分子力学/广义伯恩溶剂可及面积方法(MM-PBSA/MM-GBSA),预测两种N-取代吡咯衍生物与HIV-1 跨膜蛋白gp41疏水口袋的结合模式与作用机理．分子对接采用多种受体构象,并从结果中选取几种可能的结合模式进行MD 模拟,然后通过MM-PBSA计算结合能的方法识别最优的结合模式. MM-PBSA计算结果表明,范德华相互作用是结合的主要驱动力,而极性相互作用决定了配体在结合过程中的取向．进一步的结合能分解显示,配体的羧基与gp41残基Arg579的静电相互作用对结合有重要贡献．上述工作为进一步优化N-取代吡咯衍生物类的HIV-1融合抑制剂建立了良好的理论基础．     

HIV-1 gp41 NC六螺旋的结构与功能研究

AIDS是严重危害人类健康的疾病,而HIV是导致这种疾病的病毒。gp41六螺旋在介导HIV-1病毒与靶细胞间的膜融合过程中起着重要作用。因此,对于gp41结合蛋白的研究有助于深入了解gp41在HIV-1感染整个过程中扮演的角色,解释gp41对靶细胞的调控机制,为寻找新的抗艾滋病药物靶点以及艾滋病抑制剂的设计提供有益的思路。作者的实验室相继发现了一批与gp41六螺旋结构相互作用的蛋白质,进而对HIV-1 gp41六螺旋介导的膜融合过程和HIV-1感染机理有了更深入的了解。     

新型HIV-1蛋白酶抑制剂的研究进展

HIV-1蛋白酶是HIV病毒蛋白成熟过程中的关键酶,对病毒的复制有着重要的影响。HIV-1蛋白酶抑制剂是抑制HIV感染的一类重要药物,但随着HIV耐药株的不断出现以及药物本身存在着副作用和生物利用度低等缺点,寻找新型的HIV-1蛋白酶抑制剂是目前亟待解决的问题。本文对近年来HIV-1蛋白酶抑制剂的研究情况进行综述,希望为寻找新的抗艾滋病药物提供帮助。     

分子伴侣HdeA与底物蛋白SurA作用机制的模拟研究

分子伴侣HdeA与底物蛋白间的相互作用可帮助底物蛋白复性,这是肠道致病菌得以在酸性环境中幸存的重要原因之一.为探究HdeA发挥伴侣活性的作用机制,本研究采用分子对接和分子动力学的方法,模拟了HdeA与底物蛋白SurA间的相互作用,计算了二者的结合自由能.通过分析HdeA-SurA复合物体系的作用模式、氢键作用以及能量分解的结果,确定了HdeA与底物蛋白SurA结合时发挥重要作用的关键氨基酸残基.该研究结果为以后采用实验手段探究HdeA与底物蛋白之间的作用提供了重要的理论参考,同时为今后设计与开发HdeA的抑制剂提供了理论指导依据.     

4-甲酰苯基硼酸对蛋白酶MP的抑制作用及其抑制机制的分子动力学模拟

蛋白酶MP (marine protease)是海洋细菌来源的新型碱性金属蛋白酶,在工业中具有良好的应用前景。本文采用酶动力学方法研究4-甲酰苯基硼酸（4-FPBA）对MP的抑制作用,并结合分子模拟的方法,通过水溶液环境下分子力学 玻尔兹曼泊松表面积（MM-PBSA）和量子力学/分子力学混合方法(QM/MM)对其抑制机制进行了研究。结果表明,4-FPBA对蛋白酶MP的抑制过程属可逆的竞争型抑制,抑制常数Ki为0.57 mmol/L。在4-FPBA与蛋白酶MP的结合过程中,范德瓦尔斯相互作用对于其结合发挥了重要作用。明确了Arg59、Leu151、His190和His196的4个残基为蛋白酶MP中与4-FPBA结合的关键残基。该研究结果将为今后进行蛋白酶MP可逆抑制剂的筛选与设计提供理论基础,以提高其液态稳定性,从而拓宽蛋白酶MP在液体洗涤剂中的高效应用。     

Kazal型蛋白酶抑制剂结构与功能研究进展

蛋白酶抑制剂广泛存在于生物体内,在许多生命活动过程中发挥必不可少的作用,特别是对蛋白酶活性进行精确调控。其中Kazal型蛋白酶抑制剂是最重要的、研究最为广泛的酶抑制剂之一,该类抑制剂一般由一个或几个结构域组成,每一个结构域具有保守的序列和分子构象,同时发现该类抑制剂与蛋白酶作用的结合部位高度易变,它们大多数暴露于与溶剂接触的环上,其中P1部位是抑制作用的关键部位,抑制剂的专一性由P1部位氨基酸残基的性质决定,其它残基取代结合部位残基对抑制剂-酶的结合常数有显著的影响。Laskowski算法可直接从Kazal型丝氨酸蛋白酶抑制剂的序列推测其与6种丝氨酸蛋白酶之间的抑制常数(Ki)。目前在生物体内发现大量的Kazal型蛋白酶抑制剂,并证实其有重要的生物学功能。     

丝氨酸蛋白酶抑制剂的结构与功能

本文介绍了三种丝氨酸蛋白酶抑制剂。绿豆胰蛋白酶抑制剂与慈菇蛋白酶抑制剂均为双头抑制剂,分别由72与141个氨基酸残基所组成。绿豆抑制剂能被胃蛋白酶降解为活性中心分别为Lys及Arg的两个活性碎片,其抑制剂本身及Lys碎片的晶体结构已阐明。慈菇抑制剂有A、B两个主要组份,两者对不同蛋白酶有不同抑制活性,是一种新类型的抑制剂。天花粉胰蛋白酶抑制剂是迄今已知的最小多肽抑制剂,共含27个氨基酸残基,用2D-NMR研究了它的构象。讨论了上述三种抑制剂的异同。     

基于二层特征筛选的HIV-1蛋白酶特异位点预测

在抗艾滋病治疗中,HIV-1蛋白酶抑制剂发挥着重要作用。对于HIV-1蛋白酶裂解作用位点的研究有助于找到新的治疗靶点。为了对HIV-1蛋白酶特异位点进行预测,本研究用氨基酸索引数据库(Amino Acid Index,AAIndex)中的531个氨基酸物理化学性质参数直接表征肽样本的结构,通过二层特征筛选,最终将4248个表征参数降为57个表征参数。分别采取四种核函数进行HIV-1蛋白酶特异位点的支持向量机(SVM)建模,并通过10折交叉验证及外部测试集方法来验证建模的准确性。结果表明选取NormalizePolyKernel核函数进行SVM建模效果优于其他核函数(PolyKernel、PUK、RBFKernel),所建立的模型对于训练集的10组交叉验证预测准确率达到93.947%,对于外部测试集的预测正确率达到93.684%。     

应用定点突变与分子模建方法研究蛋白酶抑制剂eglin C突变体对蛋白酶furin和kexin的抑制活力

蛋白质前体加工酶参与许多重要蛋白质闪体的加工成熟过程,哺乳动物来源的furin和酵母中的kexin是该家族的重要成员。首先人工合成了编码枯草杆菌蛋白酶抑制剂eglin C的基因片段,组装后在大肠杆菌中得到表达。以定点突变方法在野生型eglin C抑制活性中心的P1、P2和P4位引入碱性氨基酸残基可以将其改造为很强的furin抑制剂（Ki约10^-9mol/L）,和kexin抑制剂（Ki约10^-11mol/L）。同时根据枯草杆菌蛋白酶和eglin C复合物的晶体结构,计算机同源模建了前体加工酶与eglin C突变体结构之间的相互作用,并结合实验数据得到以下结果：（1）P1位引入的碱性残基是该抑制剂活力的前提;（2）P4位碱性残基的引入可以极大地提高抑制剂活力约两个数量级;（3）P2 的碱性残基将有效提高抑制剂的活力。然而同时可以破坏抑制剂本身的稳定性。（4）野生型P3位的疏水性残基参与抑制剂活性环附近疏水核心的构成。     

Kunitz 型丝氨酸蛋白酶抑制剂结构与功能研究

蛋白酶抑制剂在酶学及蛋白质的结构与功能关系研究中有重要意义,Kunitz型丝氨酸蛋白酶抑制剂是其中最重要的,也是研究最广泛的蛋白酶抑制剂之一．该类蛋白酶抑制剂三维结构高度保守：由一个明显的疏水核心、三对高度保守的二硫键桥、三链β-折叠和一个N端3 10螺旋及一个C端α-螺旋组成．3对二硫键对分子空间结构的稳定起着非常重要的作用．这一类型抑制剂有5个主要的活性位点：P1、P1’、P3、P3’、P4,它们都位于一个溶剂暴露的环上．P1位点是抑制作用的关键活性位点,抑制剂的专一性由P1位点氨基酸残基的性质决定;P1’位点氨基酸残基的侧链大小对抑制剂．酶的结合常数有很大影响,用大的侧链残基取代会导致结合常数降低;P4位点残基被取代经常产生负效应,会导致活性区域环的构象发生很大改变,从而影响酶与抑制剂的结合．     

基于密度聚类和社区探测的蛋白质相互作用热区的预测方法

在蛋白质相互作用基础上,热点残基有聚集在一起形成模块的倾向,这样的模块被定义为热区。热区对揭示生物体的生命活动起着重要的作用,因此,如何有效而精确地对热区进行预测,是一个重要的研究方向。作者结合热区空间密度普遍大于非热区空间密度的特性,先采用聚类算法得到簇集,而后利用相关计算模型得到的结合自由能值过滤掉簇中非热点残基及某些不符合条件的簇。最后,使用社区探测技术处理过滤后的簇集,从而得到最终的预测热区。实验结果显示该热区预测方法具有较好的预测效果。     

用分子模拟方法研究HIV-1整合酶突变体的耐药性机理

二酮酸类化合物(DKAs)是目前最有前景的HIV-1整合酶(integrase, IN)抑制剂．为了解DKAs引起的多种耐药株共有的耐药性机理,选择3种S-1360引起的IN耐药突变体,用分子对接和分子动力学模拟,研究了野生型和突变型IN与S-1360的结合模式,基于该结合模式探讨了3种耐药突变体所共有的耐药性机理．结果表明：在突变体中,S-1360结合到耐药突变IN核心区中的位置靠近功能loop 3区却远离与 DNA结合的关键残基,结合位置不同导致S-1360的抑制作用部分丧失;残基138到166区域的柔性对IN发挥生物学功能很重要,S-1360能与DNA结合的关键残基N155及K159形成氢键,这2个氢键作用降低了该区域的柔性,突变体中无类似氢键,因而该区域柔性增高;在突变体中,S-1360的苯环远离病毒DNA结合区,不能阻止病毒DNA末端暴露给宿主DNA;T66I突变导致残基Ⅰ的长侧链占据IN的活性口袋,阻止抑制剂以与野生型中相同的方式结合到活性中心,这均是产生抗药性的重要原因．这些模拟结果与实验结果吻合,可为抗IN的抑制剂设计和改造提供帮助．     

草地贪夜蛾组织蛋白酶B的基因克隆、序列分析、三维结构预测及其分子对接模拟

昆虫组织蛋白酶B(Cathepsin B)在昆虫发育和代谢过程中发挥重要作用。本研究首先克隆了草地贪夜蛾Spodoptera frugiperda(J.E.Smmith)的组织蛋白酶B基因Cathepsin B(SCB),获得其开放阅读框(ORF)序列(Gen Bank登录号:HQ110064)。生物信息学分析表明,该基因的开放阅读框包含1 026 bp的片段,编码341个氨基酸,预测N-末端含有长度为20个氨基酸残基的信号肽序列,去除信号肽序列后,预测成熟蛋白分子量为35.6 k D,等电点为6.59。氨基酸序列与15种物种Cathepsin B比较有51.2%-96.2%的一致性,与甜菜夜蛾Spodoptera exigua(Hiibner)相似度最高,达96.2%。利用同源建模预测SCB的三维结构,经动力学的优化,SCB折叠成紧密而稳定的球状结构,含6个对结构有稳定作用的二硫键,亲水性氨基酸主要包被在蛋白表面。同时分子对接模拟结果表明,SCB结合口袋比较浅,形状不规则,袋口较宽。ARG19、VAL23和ASN24为活性位点关键氨基酸残基,抑制剂CA与SCB活性位点3个关键氨基酸残基有较强的相互作用,且均主要表现为静电相互作用能,其中VAL23、ASN24与CA形成氢键。以期为进一步运用生物实验手段研究Cathepsin B的结构和功能,设计和开发昆虫组织蛋白酶类抑制剂类杀虫剂奠定基础。     

蛋白质相互作用热点残基的预测北大核心CSCD

氨基酸突变扫描实验揭示了在蛋白质相互作用的结合过程中大部分的结合自由能是由极少数热点残基贡献的,通常定义结合自由能变化△△G≥2.0 kcal/mol的蛋白质残基为热点残基。热点残基对蛋白质相互作用具有重要意义。因此,如何有效进行热点残基的预测,仍然是一个研究课题。综合蛋白质氨基酸理化属性的加权疏水性、加权残基接触数、结构属性溶剂可接近面积和残基突出指数等特征,提出利用机器学习支持向量机算法来预测热点残基的方法。所提方法在丙氨酸热力学数据库数据和结合界面数据库选定的数据集上有很好的效果。在一定程度上对以后的研究发展有所帮助。     

抗HIV-1活性的大环多胺类化合物与RNA的识别作用及其对细胞凋亡的影响(英)

研究了具有抗HIV-1活性的大环多胺类化合物与RNA的识别作用，以及其对cos-7细胞凋亡的影响，以进一步探讨其抗HIV-1的作用机理.实验采用琼脂糖凝胶电泳方法, 观察化合物与RNA的识别作用；通过流式细胞计数法探讨其对cos-7细胞凋亡的影响；运用计算机分子模型, 从理论上Docking计算化合物与TAR RNA结合的可能性.结果表明, 大环多胺类化合物MP-1、MP-2和MP-3不仅具有断裂RNA的作用，并可抑制Tat-RNA的相互作用, 还可影响cos-7细胞亚二倍体的含量; 理论化学计算数据与实验结果基本一致.这一结果提示化合物的抗HIV-1活性可能通过作用于病毒基因组RNA而发挥作用，是多靶作用的结果.     

HIV-1整合酶及其抑制剂的研究进展

HIV-1整合酶是由HIV病毒pol基因编码的分子量为32KD的蛋白质,是HIV病毒复制的必需酶之一,它催化病毒DNA整合入宿主染色体DNA。人类细胞中没有HIV 整合酶的类似物[1],理论上抑制整合酶对人体副作用很小。因此HIV-1整合酶成为继HIV-1蛋白酶,逆转录酶后治疗艾滋病的富有吸引力和合理的靶标。本文综述了HIV整合酶结构,抑制剂的研究以及以HIV-1 整和酶为靶点治疗AIDS方法的最新研究进展。     

HIV-2 Gag蛋白的表达研究

HIV-2是引起艾滋病的主要病原之一,与HIV-1相比,其致病性弱,感染的潜伏期长,有的甚至不发展成艾滋病。但HIV-2的易感宿主较HIV-1广,除人和猩猩之外,HIV-2还能感染猴等灵长类动物,这将为艾滋病疫苗和实验动物模型的研究提供有利条件。 我们应用原核高效表达载体pBV220在大肠杆菌中分别表达了HIV-2gag全部和部分蛋白(去掉与pol重叠序列)。在此基础上我们又将gag全部和部分序列置于痘苗病毒P7.5和     

山奈酚和槲皮素对大鼠体内Neu5Gc合成的影响及分子机制探究

非人源性唾液酸N-羟乙酰神经氨酸(N-glycolylneuraminic acid, Neu5Gc)是红肉中潜在的致癌性因子。唾液酸转移酶是涉及转运其前体物质的关键酶之一。大鼠用不同浓度的山奈酚(kaempferol,KA)和槲皮素(quercetin,Qu)灌胃,并模拟宰前对Neu5Gc合成影响的结果表明,不同浓度的KA、Qu对大鼠体内肌肉组织、肝和肾中Neu5Gc的含量均有一定的影响,最大抑制率分别为36.44%±0.11%和33.37%±0.08%。为探究其抑制机制,采用唾液酸转移酶(sialyltransferase,ST)与KA、Qu进行分子对接和分子动力学模拟分析。分子对接复合物二维相互作用图表明:KA和Qu能有效占据ST特异性抑制剂5′-胞苷单磷酸的活性位点氨基酸残基;对最佳复合物进行200 ns的动力学模拟结果显示,ST和KA产生稳定氢键作用的氨基酸残基主要是His301和Gly298,与Qu产生氢键作用的氨基酸残基主要是Gly293、Glu324、Thr272和Ser276。结合自由能分析表明,范德华力、静电吸引作用对抑制过程具有重要作用。本研究为合成和筛选高效ST抑制剂提供了一定实验依据。