應用相互作用熵方法研究靜電極化效應和橋梁水分子對CDK2-配體結合親和力的影響.pdf

1、蛋白質(zhì)激酶（PKs）家族是一個很大的同源蛋白質(zhì)家族，它們參與了許多生理和生化過程，例如，在細胞生長、代謝、分化及凋亡進程中起到至關重要的作用。細胞周期素依賴性激酶（CDKs）是眾多蛋白質(zhì)激酶中的一類，它們主要調(diào)控細胞增殖、神經(jīng)功能和轉(zhuǎn)錄等過程。它們的結構突變和過度表達與細胞癌變的發(fā)生有著密切的關系，因此，眾多學者對細胞周期素依賴性激酶的結構和功能進行廣泛地關注和研究。
　　眾所周知，細胞周期失去控制將會導致細胞的無限/惡性增值，進

2、而導致細胞癌變引發(fā)癌癥。細胞周期是細胞周期素（Cyclin）、細胞周期素依賴性激酶及其抑制劑共同調(diào)控和管理的。作為細胞周期素依賴性激酶中的“明星”成員，細胞周期素依賴性激酶2（CDK2）與細胞周期素A、E（Cyclin A、Cyclin E）共同調(diào)控細胞周期的G1期到S期的過渡階段、S期以及S期到G2期的過渡階段。如果G1期到S期的過度階段被破壞，細胞周期將直接進入S期或M期，導致細胞損傷進而引發(fā)癌癥。因此，細胞周期素依賴性激酶2是治療

3、癌癥的一個有前景的靶標，而其對應的抑制劑也在抗癌藥物的修飾和設計中有廣泛的應用價值。
　　目前，我們可以從蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫（PDB）中獲得很多細胞周期素依賴性激酶及其抑制劑的晶體結構，這對我們的研究有很大幫助。但是，針對該體系的研究存在一些缺陷和不足，本文作了如下改進：
　　1）在分子動力學模擬（MD模擬）過程中，力場參數(shù)的精確性直接影響了模擬過程和結果的準確性。然而，在現(xiàn)有的力場中，例如AMBER、CHARMM等，均采用平均場

4、的方法來擬合原子的部分電荷，而忽略了生物分子、水分子及離子等之間的極化效應。許多研究工作證明，極化效應對模擬結果有很大影響。因此，我們采用了新型的電荷擬合方案——極化蛋白質(zhì)專一性電荷（PPC）擬合方案。在擬合原子部分電荷的過程中，我們充分考慮了生物分子與其周圍環(huán)境之間的極化效應。在模擬過程中，采用該擬合方案，我們可以得到更加穩(wěn)定可靠的構象，并得到了更加精確的模擬結果。
　　2）就該體系而言，許多工作只研究了細胞周期素依賴性激酶與其

5、抑制劑之間的相互作用機制，而忽略了橋梁水分子對二者的調(diào)控作用。我們通過觀察眾多的晶體結構發(fā)現(xiàn)，一個水分子既可以蛋白質(zhì)的 Asp145等殘基形成氫鍵，又可以和抑制劑形成氫鍵（我們稱之為Wat145），起到“橋梁”作用，進而來調(diào)節(jié)它們之間的氫鍵網(wǎng)絡。Wat145存在于大多數(shù)的晶體結構中，在許多工作中，其作用往往被忽略。因此，在本文中，我們著重研究了Wat145對蛋白、配體間氫鍵網(wǎng)絡的影響，以及Wat145對結合自由能的貢獻等問題。并根據(jù)上述

6、結果，對Wat145取代與否作了預測，該結果與Essex課題組結論一致。
　　3）使用傳統(tǒng)的MM/PBSA方法計算結合自由能時，Normal mode（Nmode）分析熵變是非常耗時的，考慮到效率問題，我們只能減少采樣，這將降低模擬結果的精確性。針對上述問題，我們應用了更為簡單、高效的熵變計算方法——相互作用熵（IE）方法。該方法是從最基本的熱力學統(tǒng)計物理公式出發(fā)，并經(jīng)過嚴格的數(shù)學推導得到的。該方法只需要知道蛋白和配體之間的相互作

7、用能及其漲落，而不需要進行額外、復雜的計算就能高效地計算熵變。由于，該方法效率高，我們可以進行充分采樣，進而使模擬結果更加準確。
　　經(jīng)過本文研究發(fā)現(xiàn)，當考慮 Wat145時，極化蛋白質(zhì)專一性電荷擬合方案結合相互作用熵方法計算的結合自由能和實驗值的相關性達到了0.98，而且計算值和實驗值的排序相一致。Wat145在不同的復合物中，對結合自由能的貢獻不同，這取決于它們所處的結合環(huán)境。上述結論為抗癌藥物的設計和修飾提供了很好的理論基礎