基于计算机辅助药物设计的VEGFR2和PD-L1双靶点抑制剂的筛选

肝细胞癌(HCC)是世界上最具侵袭性的实体恶性肿瘤之一,尽管近几十年来在肝切除术、射频消融和肝移植等方面取得了显著进展,但HCC患者的愈后仍不乐观,主要原因是HCC的高复发率和转移率以及该疾病对化疗和靶向治疗的耐受性。VEGFR2和PD-L1抑制剂联合应用能对小鼠体内的HCC肿瘤进行显著抑制并延长其寿命,因此开发VEGFR2与PD-L1双靶点抑制剂对HCC的治疗具有十分重要的意义。本文基于计算机辅助药物设计(CADD),经过以分子对接为基础的虚拟筛选、MM-GBSA和ADMET评价以及QSAR模型预测,得到了一系列VEGFR2和PD-L1的双靶点活性化合物,有望为后续抑制剂的开发提供思路和方向。

基于长链底物亲和的脂肪酶MAS1理性设计改造

探讨了脂肪酶MAS1对长链底物4-硝基苯酚豆蔻肉酸酯(pNP-C14)催化的最适温度、最适pH、pH稳定性,并通过分子动力学模拟计算得出结合自由能,然后根据结合自由能的差值初步筛选出了G145W及T141L两个单点突变体。实验表明,与野生型MAS1相比,结合自由能降低显著的突变体G145W的米氏常数(Km)减小了11%,催化常数(kcat)与Km的比值(kcat/Km)为野生型MAS1的1.29倍,突变体G145W对长链底物的亲和能力和催化效率均有提高;而结合自由能降低较小的突变体T141L的Km值增大了22%,kcat/Km为野生型MAS1的0.88倍,说明酶与底物分子结合自由能的降低并非准确的突变筛选标准。通过分子力学/广义波恩表面积(MM/GBSA)残基拆解分析得出:残基T38、F39、L149、F153、V202、V233对脂肪酶活性口袋与长链底物结合的稳定性贡献较其他残基大;残基T38、G40、N41、N45和T237对提高长链底物的亲和能力具有重要贡献,预测为热点残基,其结合自由能的降低可以作为突变筛选的参考标准。

基于丁酸钠的新型HDAC4抑制剂的设计与模拟

组蛋白的乙酰化水平异常与多种癌症相关。研究表明,与组蛋白乙酰化水平调控相关的组蛋白去乙酰化酶4(Histone deacetylase 4,HDAC4)在鼻咽癌、胃癌、直肠癌等癌症患者体内的表达明显高于正常水平。本研究以对HDAC4具有一定活性的丁酸钠(Sodium Butyrate,NaBu)为结构基础,采用基于片段的药物设计方法(Fragment-based drug design,FBDD)设计出五个小分子化合物SBD1、SBD2、SBD3、SBD4和SBD5,进而综合利用分子对接、分子动力学模拟以及ADMET预测等分子模拟方法对这些化合物与HDAC4的作用模式进行了探索。结合自由能结果显示在丁酸钠的结构基础上适当延长linker并在尾部引入芳香环,可以有效增强此类抑制剂与HDAC4的结合强度。通过能量分解和氢键分析考察了新抑制剂与HDAC4之间的关键相互作用。此外,通过ADMET预测,所有新设计的丁酸钠衍生物均具有良好的类药性和药代动力学特性,可以作为潜在的HDAC4抑制剂。研究结论可以为新型HDAC4抑制剂的设计提供理论基础。

采用分子模拟方法探究MIF与二芳基三唑类抑制剂的结合机理

采用一整套分子模拟方法,从原子水平探究了MIF与二芳基三唑类抑制剂的微观结合模式及结构决定性因素。基于能量计算和结合机理的分析发现:高活性二芳基三唑类抑制剂的设计需要与N_(325)形成较强的氢键相互作用,与非极性氨基酸I_(64)形成较强的疏水相互作用,与Y_(36)、F_(113)、Y_(323)形成π-π相互作用。

HIV-1跨膜蛋白gp41与N-取代吡咯衍生物的结合模式研究(英文)

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蛋白酶与抑制剂结合中桥接水分子作用的QM/MM研究

对HIV-1蛋白酶与抑制剂2AH和4AH结合的两个复合物体系进行了水溶液环境下量子力学分子力学混合方法(hybrid QM/MM)的1ns分子动力学模拟,用MM-GBSA方法得到桥接水分子W301与HIV-1蛋白酶和抑制剂结合体的结合自由能分别为-24.93 kJ/mol和-20.29 kJ/mol,表明W301在抑制剂和HIV-1蛋白酶结合的过程中起到了不能被忽略的作用。

对特辛基苯酚干扰雌激素受体作用的分子基础及其对ERβ亚型选择性结合的理论研究

对特辛基苯酚(4-tert-octylphenol,PTOP)是一种环境内分泌干扰物。已有研究发现虽然其能够直接与雌激素受体(estrogen receptor,ER)的两种亚型(ERα,ERβ)结合并产生干扰效应,但其结合能力却各不相同,PTOP对ERβ表现出更强的结合活性。为了探究PTOP与ER结合的分子机制及其对ER两种亚型的选择性机制,本文采用分子动力学模拟对PTOP-ER复合物进行了研究,并利用MM-GBSA方法计算了结合自由能。结果表明,范德华作用是维持PTOP与ER结合的主要驱动力;而极性相互作用的差异是导致PTOP对ERα和ERβ产生选择性结合的重要因素,PTOP与ERα之间的极性溶剂化作用阻碍了两者的结合。将PTOP与ER的天然底物雌二醇进行比较,发现PTOP与ER口袋之间缺乏氢键稳定二者结合,因此PTOP的结合活性较低。计算模拟亦指出了PTOP结合过程中发挥重要作用的关键氨基酸。以上计算结果将有助于我们进一步理解PTOP影响ER介导生理过程的干扰机制。

CDK2-抑制剂结合自由能计算

细胞周期蛋白依赖性激酶II (cyclin dependentkinase 2 ,CDK2 )是一种重要的治疗癌症的靶标 .本文中采用分子动力学取样 ,运用MM PBSA/GBSA两种方法计算了CDK2 NU610 2复合物的绝对结合自由能 .通过能量分解的方法考察了CDK2大分子主要残基与配体NU610 2之间的相互作用和识别 .

乙酰乳酸合成酶与抑制剂ZJ0777及CIE的分子对接和分子动力学模拟

乙酰乳酸合成酶(Acetohydroxyacid synthase,AHAS)是植物和微生物体内3种支链氨基酸生物合成过程中影响第1阶段的关键性酶,已被广泛证实为除草剂的靶标.ZJ0777是一种新型的除草剂,具有与传统商业除草剂相当的除草活性,且具有低毒、低残留、高选择性等优点.使用分子对接方法研究了AHAS-ZJ0777复合物体系的作用模式,并与AHAS-CIE复合物晶体结构的作用模式作比较,发现二者的作用模式相似,对结合起关键作用的氨基酸均为Arg377,Trp574和Ser653.AHAS-CIE体系小分子蛋白质之间主要通过氢键相互作用,AHAS-ZJ0777体系中小分子蛋白质之间主要通过π-π堆积相互作用.对分子对接得到的复合物AHAS-ZJ0777及AHAS-CIE使用Amber程序进行1 135ps的MD模拟实验,随后使用MM-GBSA方法计算了抑制剂与蛋白质的结合能.结果表明,真空中的范德华力、静电作用和非极性溶剂化作用有利于抑制剂与AHAS的结合.本研究从理论上解释了新型ZJ0777分子的高效生物活性,为进一步设计和开发嘧啶苄胺类抑制剂提供了一定的理论指导.

新型二氟甲基磷酸类酪氨酸蛋白磷酸酯酶1B抑制剂的分子动力学模拟和结合自由能计算(英文)

通过分子对接建立了一系列含二氟甲基磷酸基团(DFMP)或二氟甲基硫酸基团(DFMS)的抑制剂与酪氨酸蛋白磷酸酯酶1B(PTP1B)的相互作用模式,并通过1ns的分子动力学模拟和molecular mechanics/generalized Born surface area(MM/GBSA)方法计算了其结合自由能.计算获得的结合自由能排序和抑制剂与靶酶间结合能力排序一致;通过基于主方程的自由能计算方法,获得了抑制剂与靶酶残基间相互作用的信息,这些信息显示DFMP/DFMS基团的负电荷中心与PTP1B的221位精氨酸正电荷中心之间的静电相互作用强弱决定了此类抑制剂的活性,进一步的分析还显示位于DFMP/DFMS基团中的氟原子或其他具有适当原子半径的氢键供体原子会增进此类抑制剂与PTP1B活性位点的结合能力.

p,p'-DDE与雄激素受体突变体H874Y及T877A激动性作用机制的理论研究

1,1-二氯-2,2-双(对氯苯基)乙烯(p,p'-DDE)是一种已知的雄激素受体(androgen receptor,AR)拮抗剂。有趣的是,已有研究证实p,p'-DDE同时可经由作用于AR的2种天然突变体H874Y和T877A产生拟雄激素效应,但其相互作用的分子机制尚不清晰。本研究联用分子动力学模拟与MM-GBSA方法,以内源性激素二氢睾酮(DHT)作为对照,对p,p'-DDE与2种突变体的相互作用分子机制进行了研究。模拟结果指出范德华相互作用是维持p,p'-DDE与AR突变体结合的主要驱动力,而溶剂化作用的差异是导致p,p'-DDE与H874Y具有较高结合活性的主要原因,H874Y结合口袋与p,p'-DDE的结构匹配度优于与T877A。与内源性配体二氢睾酮相比较,范德华作用与静电相互作用的差异是造成p,p'-DDE比DHT结合活性低的主要原因,p,p'-DDE与AR突变体之间缺乏氢键的稳定。MM-GBSA的结果确定p,p'-DDE与突变体结合过程的关键氨基酸以疏水性残基为主,其中L704、M745、L873尤为重要。计算获得的p,p'-DDE对H874Y及T877A相互作用分子机制有助于理解该污染物在不同人群中内分泌干扰效应的差异。

W301水分子在HIV-1蛋白酶和配体ABT-538结合中作用的QM/MM研究

结晶水分子W301在几乎所有的HIV-1蛋白酶(HIV-1PR)和配体的晶体结构中出现.在HIV-1PR中A链天门冬氨酸残基Asp25质子化状态或B链Asp25质子化状态下,QM/MM模拟后MM-GBSA方法计算得到W301水分子在HIV-1PR/ABT-538结合中的自由能贡献分别为-16.88kJ/mol、-17.63kJ/mol,W301水分子在HIV-1PR/ABT-538的结合中起到了关键的作用.进一步分析发现W301水分子与HIV-1PR和ABT-538分别形成了两个、四个氢键.

PTP1B选择性抑制剂的分子动力学模拟及结合自由能计算

作为二型糖尿病的潜在治疗药物,蛋白质酪氨酸磷酸酯酶1B(PTP1B)的抑制剂研究一直备受关注.而其中一种二齿类抑制剂由于其普遍较高的选择性和活性,又是抑制剂的研究重点和热点.采用分子动力学方法取样,MM/GBSA方法计算了1个二齿类PTP1B抑制剂与PTP1B及其2个同家族酶TCPTP和SHP-2的结合自由能,得到了与实验活性值相符的结果.同时基于MM/GBSA的能量分解计算表明,抑制剂与PTP1B第2位点附近的2个残基ARG24和ARG254有很强的相互作用,与其他2个酶第2位点的相互作用则有所减弱,尤其是SHP-2,几乎没有实质性相互作用.这应该是抑制剂产生选择性的关键.同时活性位点附近的残基PHE182也与抑制剂分子有很强的相互作用,相比TCPTP也有很大优势.希望这些信息在进一步提升PTP1B抑制剂的选择性和活性方面提供帮助.

HIV-1 Tat与P-TEFb复合物的分子动力学模拟及结合自由能计算

P-TEFb结构中与Tat蛋白的结合位点是新型抗HIV-1药物设计和虚拟筛选的重要靶标.对含有两个锌指结构的Tat.P-TEFb复合物体系进行了14ns的分子动力学模拟,应用MM-PBSA/GBSA方法计算体系的结合自由能,以及通过基于氨基酸残基的能量分解来探究体系中蛋白质之间的相互作用.结果表明范德华作用能是复合物形成的主要驱动力,Cys261与ZN88之间的配位作用是结合自由能的最大贡献者.根据Tat.P-TEFb体系的动力学结构信息和残基能量分解结果预测了P-TEFb结构中可能的活性位点.位点Ⅰ和位点Ⅱ应可作为基于受体三维结构的抗HIV-1药物分子设计的起始位点.模拟计算的结果可以为进一步指导药物设计奠定基础.

HIV-1蛋白酶异位抑制剂体系的长时间分子动力学模拟

采用新开发的ff12SB力场在NVIDIA CUDA GPU上对HIV-1蛋白酶的活性位抑制剂体系和异位抑制剂体系分别进行了100 ns的长时间分子动力学模拟,并用MM-PB/GBSA方法计算了活性位点抑制剂TL-3与HIV-1蛋白酶的结合自由能。异位抑制剂体系中分子片段2-甲基环己醇结合在Exo位,有利于抑制剂被束缚在活性位点附近。异位抑制剂体系中抑制剂TL-3与蛋白酶的结合自由能为-85.78 kcal/mol,活性位抑制剂体系中为-79.45 kcal/mol。这些结果有助于深入了解HIV-1 PR的动力学过程,为设计新型强效抑制剂提供了新见解。

PD-1与单克隆抗体残基特异性结合机制的计算丙氨酸扫描研究

通过分子动力学模拟检测了2种程序性细胞死亡蛋白(PD-1)/单克隆抗体(Pembrolizumab和Nivolumab)复合物,并使用高效的计算丙氨酸扫描方法预测了单抗与PD-1的结合热点,将它们与对PD-1/PD-L1结合重要的热点残基进行对比分析.结果显示,Pembrolizumab以类似于PD-L1的方式与PD-1结合,而Nivolumab则以不同的方式与PD-1结合.2个PD-1/mAb复合物中共有的热点只有_(PD-1)K131.同时发现,与_(PD-1)K131结合的单抗的关键残基通常都受范德华(vdW)能量控制.2种单克隆抗体上热点的自由能贡献都以vdW能量为主,这表明在下一代PD-1新抗体的设计中需要提高静电型热点残基的数量.

补体蛋白C3c与抑制剂Compstatin的结合自由能计算

采用分子动力学模拟取样,运用MM-PBSA方法计算了人类C3c-Compstatin复合物的结合自由能。通过能量分解方法探究了人类补体蛋白C3c上抑制剂结合域MG4～MG5(巨球蛋白区域)上的主要残基与配体Compstatin纤维蛋白之间的相互作用和识别。结果表明:C3c与补体抑制剂Compstatin的理论结合自由能(-8.06 kcal/mol)与试验值(-6.72 kcal/mol)吻合较好,分子内能总和(-177.24 kcal/mol)对补体抵制剂的结合贡献最大,其次为真空静电作用能(-108.74 kcal/mol)和范德华作用能(-68.51kcal/mol)。作为对结晶试验的补充,进行了C3c蛋白和小分子抑制剂之间结合的动态过程以及在两者结合的影响下蛋白形态变化的分子动力学模拟,结果发现C3c上的残基ARG459、ASP491、MET457和Compsta-tin上的残基TRP7、TRP4、HIS10为结合自由能作出了主要贡献。该结果对进一步研究C3补体抑制剂的机制提供了结构方面的信息。

两种雌激素受体与抑制剂作用的机制

对雌激素受体ERα和ERβ与抑制剂244结合的体系进行了12 ns的分子动力学模拟,用MM-PBSA方法计算了体系的结合自由能,抑制剂与ERα的结合自由能是-30.11 kJ/mol,与ERβ的是-33.32 kJ/mo。lERα中Met421侧链原子与抑制剂间的静电排斥作用使活性口袋周围的残基构象发生变化,导致活性区域中结合空穴变大,从而使ERα与抑制剂的亲和性降低。自由能分解计算进一步说明了各个残基对自由能的贡献。

小分子核糖原合成酶激酶3β/程序性死亡配体1双靶点抑制剂的虚拟筛选

目的筛选核糖原合成酶激酶3β(GSK3β)/程序性死亡配体1(PD-L1)双靶点抑制剂,并预测其活性。方法采用药效团模型和分子对接方法筛选ChemDiv数据库,得到排序靠前的化合物,并通过定量构效关系(QSAR)模型预测其活性。结果得到了4个化合物,其药效团Fit value以及分子对接打分均接近或高于各自的阳性对照化合物,QSAR模型预测表明:两者对GSK3β/PD-L1的潜在抑制效力较为均衡。结论获得了4个具有全新骨架结构的化合物,为开发GSK3β/PD-L1双靶点抑制剂提供了先导化合物。

FKBP12蛋白与其抑制剂结合的分子动力学模拟和结合自由能计算

FKBP12(FK506-bindingprotein-12)是一种具有神经保护和促神经再生作用的蛋白.采用分子动力学模拟取样,运用MM-GBSA方法计算了FKBP12和3个抑制剂(GPI-1046,308和107)的绝对结合自由能,GPI-1046的结合能最小,308小于107的结合能.通过能量分解的方法考察了FKBP12蛋白的主要残基与抑制剂之间的相互作用和识别,计算结果表明:3个抑制剂具有相似的结合模式,Ile56和Tyr82主要表现为氢键作用,Tyr26,Phe46,Val55,Ile56,Trp59,Tyr82,Tyr87和Phe99形成疏水作用区.计算结果和实验结果吻合.