多藥轉(zhuǎn)運體PfMATE工作機制的分子模擬研究.pdf

1、多藥及毒性化合物外排（Multidrugand toxic compound extrusion，MATE）轉(zhuǎn)運體家族通過細(xì)胞內(nèi)先前存在的H+或者 Na+離子梯度將內(nèi)源性陽離子（endogenous cationic）、親脂性的物質(zhì)（lipophilic substances）和異型生物質(zhì)（xenobiotic）驅(qū)逐出細(xì)胞膜。在腫瘤細(xì)胞當(dāng)中，MATE轉(zhuǎn)運體會排出多種結(jié)構(gòu)以及物理化學(xué)性質(zhì)不同的藥物分子。基于這種機制，MATE轉(zhuǎn)運體會引起細(xì)

2、菌病原體和腫瘤細(xì)胞的多藥耐藥（multiple-drug resistance，MDR），極大地降低了抗腫瘤藥物和抗生素藥物對細(xì)菌病原體和腫瘤細(xì)胞的臨床治療功效。因此，MATE轉(zhuǎn)運體作為一個非常重要的抑制多藥耐藥的藥物作用靶點，已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注，對能夠抑制MATE轉(zhuǎn)運體功能的抑制劑的尋找和研發(fā)已經(jīng)非常迫切。然而，由于對 MATE轉(zhuǎn)運體在分子水平上的工作機制知之甚少，因此，MATE轉(zhuǎn)運體抑制劑的研發(fā)還沒有取得重大的進展。在本論文中，我

3、們通過分子動力學(xué)模擬（Molecular Dynamics simulation）的方法探索了來自強烈火球菌（Pyrococcus furiosus）中的PfMATE轉(zhuǎn)運體的工作機制、活性調(diào)節(jié)機制、環(huán)肽抑制劑（macrocyclic peptides inhibitors）對PfMATE轉(zhuǎn)運體的抑制機理以及環(huán)肽抑制劑與PfMATE轉(zhuǎn)運體之間的相互作用模式。
　　本論文第一部分主要研究了在天冬氨酸 Asp41不同的質(zhì)子化狀態(tài)下。Pf

4、MATE轉(zhuǎn)運體的構(gòu)象調(diào)節(jié)機制。首先，分子動力學(xué)模擬的結(jié)果表明PfMATE轉(zhuǎn)運體的構(gòu)象變化主要發(fā)生在胞外域。其次,在 Asp41不同的質(zhì)子化狀態(tài)下。PfMATE經(jīng)歷了不同的構(gòu)象調(diào)節(jié)模式并且形成了不同的構(gòu)象。在質(zhì)子化狀態(tài)下。PfMATE轉(zhuǎn)運體經(jīng)歷了張開運動并且傾向于形成更加朝外張開的構(gòu)象。在去質(zhì)子化狀態(tài)下，PfMATE轉(zhuǎn)運體在分子動力學(xué)模擬過程中只存在以轉(zhuǎn)運通道為軸的逆時針旋轉(zhuǎn)運動，而在質(zhì)子化狀態(tài)下出現(xiàn)的更加朝外張開的構(gòu)象并沒有出現(xiàn)。該工作

5、在原子水平上描述了在Asp41結(jié)合質(zhì)子時PfMATE轉(zhuǎn)運體的構(gòu)象調(diào)節(jié)機制，有助于我們深入理解PfMATE轉(zhuǎn)運體的工作機制。
　　本論文第二部分主要研究了 PfMATE轉(zhuǎn)運體的活性調(diào)節(jié)機制。通過分子模擬方法分析在野生型和M173A/N180A/M206A突變狀態(tài)下PfMATE轉(zhuǎn)運體的構(gòu)象調(diào)節(jié)機制，解釋 PfMATE轉(zhuǎn)運蛋白的活性調(diào)節(jié)機制。首先，主成分分析和運動式分析表明與在野生型狀態(tài)下相比，在 M173A/N180A/M206A突變

6、狀態(tài)下PfMATE轉(zhuǎn)運蛋白在分子動力學(xué)模擬過程中經(jīng)歷了不同的構(gòu)象，表明這些突變影響了 PfMATE轉(zhuǎn)運體的運動方式。其次，動態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析和動態(tài)相關(guān)性矩陣分析表明三個單點突變M173A/N180A/M206A破壞了PfMATE轉(zhuǎn)運蛋白正常的構(gòu)象調(diào)節(jié)方式，擾亂了 PfMATE轉(zhuǎn)運體正常的構(gòu)象調(diào)節(jié)路徑。本工作關(guān)于 PfMATE轉(zhuǎn)運體活性調(diào)節(jié)機制的研究對能夠抑制 PfMATE轉(zhuǎn)運體轉(zhuǎn)運活性的抑制劑的設(shè)計提供了很有價值的線索。
　　本論文第三

7、部分主要研究了環(huán)肽抑制劑MaD5對PfMATE轉(zhuǎn)運體的抑制機理。首先，我們疊合了原蛋白體系和抑制劑結(jié)合體系在分子動力學(xué)模擬過程中的代表性結(jié)構(gòu),疊合結(jié)果從理論上驗證了環(huán)肽抑制劑MaD5對PfMATE轉(zhuǎn)運體的抑制活性。其次，構(gòu)象分析和動態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析表明環(huán)肽抑制劑MaD5阻斷了PfMATE轉(zhuǎn)運體正常的構(gòu)象調(diào)節(jié)路徑。最后，結(jié)合能計算結(jié)果表明環(huán)肽抑制劑MaD5的環(huán)狀頭部和位于 PfMATE轉(zhuǎn)運體 N端的結(jié)合口袋之間的相互作用是環(huán)肽抑制劑MaD5和

8、PfMATE轉(zhuǎn)運體有很強結(jié)合能力的主要原因。該工作在理論上解釋了MaD5的抑制機理，對設(shè)計和篩選出更具潛力的環(huán)肽抑制劑有重要的意義。
　　本論文的第四部分研究了環(huán)肽抑制劑與PfMATE轉(zhuǎn)運蛋白的相互作用模式。基于分子動力學(xué)模擬、結(jié)合自由能計算、殘基能量分解等方法，我們對環(huán)肽抑制劑和 PfMATE轉(zhuǎn)運體的相互作用機制提出了新的認(rèn)識。能量計算結(jié)果表明PfMATE轉(zhuǎn)運體活性位點的極性氨基酸在結(jié)合環(huán)肽抑制劑時扮演著關(guān)鍵的作用，而氫鍵相互作

9、用和靜電相互作用是這些極性氨基酸和環(huán)肽抑制劑分子之間的關(guān)鍵相互作用。其中PfMATE轉(zhuǎn)運體的Gln34和Arg284與環(huán)肽抑制劑分子尤其是MaD5分子之間有很強的靜電相互作用。另外，PfMATE轉(zhuǎn)運體活性位點的疏水性殘基在結(jié)合環(huán)肽抑制劑時也起到比較重要的作用。值得注意的是在本工作中我們從理論上提出了一個與 PfMATE轉(zhuǎn)運體結(jié)合能力更強的環(huán)肽抑制劑的骨架，同時指出PfMATE轉(zhuǎn)運體蛋白的Gln34和Arg284是在進行骨架設(shè)計時需要關(guān)鍵