文档介绍：中国科学技术大学
硕士学位论文
HIV-1 蛋白酶与抑制剂的分子动力学模拟
姓名:李丹
申请学位级别:硕士
专业:核技术及应用
指导教师:韩聚广
2011-04-20
摘要
摘要
人免疫缺陷病毒(Human immunodeficiency virus;HIV) 是引起全球艾滋病
(acquired immune deficiency syndrome;AIDS)流行的病原,AIDS 已经成为医学
领域的重要挑战之一。HIV-1 蛋白酶((Protease,PR)作为天冬氨酸蛋白酶家族的
一员,是抗 AIDS 药物开发中最重要的酶之一。PR 可以将 AIDS 复制过程中产
生的非功能性的产物裂解成结构蛋白(gag)和功能蛋白(pol),这些蛋白在具有感
染性的病毒成熟过程中起到至关重要的作用。因此,抑制 HIV-1 PR 的催化活性
就能阻止产物加工成为具有感染性的成熟蛋白,从而阻止进一步的病毒感染。
而抑制剂与 PR 结合后可导致蛋白酶的失活,最终阻止宿主细胞的感染。二聚
体 HIV-1 蛋白酶已经成为抗 HIV-1 病毒药物设计的最重要靶点之一。因此,深
入研究 HIV-1 蛋白酶和抑制剂之间的相互作用以及由突变导致的药物抗性是非
常重要的。
由于用实验的方法去衡量不同蛋白酶和抑制剂之间的结合亲和力是不方便
的,而分子动力学模拟用计算机技术为研究生物或者化学体系的结构和功能特
征提供了强有力的支持,尤其是对于复杂的生物体系。分子动力学模拟方法也
可以用来研究 HIV-1 蛋白酶-抑制剂复合物的药物抗性机理。
首先,我们对 HIV-1 蛋白酶与 TMC-126 体系进行了分子动力学(Molecule
Dynamics,MD)模拟,并运用能量分解(Binding Free Energy position,
BFED)putational Alanine Scanning,CAS)两种方法
考察了不同残基对 HIV-1 蛋白酶与 TMC-126 之间结合亲和力的贡献。HIV-1 蛋
白酶和药物小分子抑制剂的作用机理考察了 HIV-1 蛋白酶之间的相互作用能。
计算结果表明,HIV-1 蛋白酶的封盖区域(残基 38-58)和活性区域(残基 23-32)
对蛋白酶和抑制剂的结合有至关重要的作用。我们还重点讨论了重要残基的具
体作用机理。另外,我们对于计算丙氨酸扫描和结合自由能分解方法得到的结
果进行了回归分析,相关系数为 ,这说明了同是基于 GB 模型的这两种方
法所获得的结果有较好的一致性。最后,我们的计算结果显示对结合自由能分
解比计算丙氨酸扫描方法更快捷,而且结合自由能分解方法还可以将每个残基
的贡献分解成骨架和侧链贡献。这项研究能够对研究蛋白酶与抑制剂之间的作
用机理以及理论计算中方法的选择提供一定的指导作用。
另外,鉴于药物抗性突变型的迅速出现,设计的药物抑制剂临床效果往往
比较短效,所以急需开发更长效,副作用更小以及有广谱活性的抗病毒药物。
为了更好的设计药物,有必要去深入研究突变型蛋白酶和抑制剂之间的抗性作
用机理。
I
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摘要
因此,在接下来的研究工作中,分子动力学模拟方法以及 MM-PBSA 方法
研究了 HIV-1 蛋白酶与地瑞那韦(Darunavir,DRV)结合中位于保守三序列
G86-R87-D/N88 中的 G86 残基的作用。在我们的工作中,通过分子动力学模拟
和 MM-PBSA方法计算了 TMC-114 与野生型和变异型蛋白酶的结合自由能来研
究蛋白酶-抑制剂之间的结合机理和药物抗性,DRV 与变异型蛋白酶 G86A 和
G86S 之间的结合亲和力比其与野生型蛋白酶的结合亲和力弱,G86A 和 G86S
突变型与抑制剂结合的抗性主要分别来源于静电作用和熵变。通过对野生型和
突变型体系结合自由能的能量分解结果的分析,突变主要影响了三个区域残基
的贡献,分别是活性位点区域(残基 23-32),封盖区域和突变残基 86 周围区域
(残基 79-88),尤其是封盖区域。最后,通过对复合物中的重要氢键和结构的
分析阐述了能量与结构之间的关系。总之,G86 突变体改变了封盖区域的的构
象并将封盖区域微小地推离了活性位点区域,从而引起结合亲和力变弱。本工
作中的结果对于研究受体与配体间的结合机理以及抗病毒的新药设计有一定的
帮助。

关键