基于巨噬細(xì)胞移動(dòng)抑制因子的藥物設(shè)計(jì)和分子模擬研究.pdf

1、巨噬細(xì)胞移動(dòng)抑制因子（Macrophage migration inhibitory factor，MIF）是一種重要的多功能蛋白質(zhì)，既具有細(xì)胞因子的作用，又具有酶的作用。作為細(xì)胞因子，MIF是炎癥效應(yīng)的一種重要調(diào)節(jié)劑，又是先天性免疫響應(yīng)的主要上游介導(dǎo)劑;在免疫體系中，MIF對(duì)糖皮質(zhì)激素具有重要的反向調(diào)節(jié)作用。大量的研究表明，MIF直接影響正常細(xì)胞的分裂和瘤基因誘導(dǎo)的惡性轉(zhuǎn)化，或間接通過調(diào)節(jié)機(jī)體免疫反應(yīng)，促進(jìn)細(xì)胞增殖和遷移以及促進(jìn)血管增

2、生等。此外，MIF具有酶的活性，可以催化D-多巴色素、苯丙酮酸的互變異構(gòu)化及硫醇蛋白的氧化還原反應(yīng)。由于涉及到多種免疫、炎癥以及腫瘤等疾病的發(fā)生和發(fā)展的多個(gè)方面，MIF已經(jīng)成為抗炎和抗腫瘤藥物研發(fā)的重要靶點(diǎn)。目前針對(duì)MIF的治療策略主要是靶向其互變異構(gòu)酶活性中心發(fā)展小分子抑制劑，但目前已報(bào)道的MIF抑制劑普遍活性較低，至今還沒有靶向MIF的小分子抑制劑成為上市藥物。此外，與MIF相關(guān)的病理生物學(xué)功能，MIF酶活性與細(xì)胞因子活性及其他功能

3、之間的關(guān)系，MIF生物多樣性相關(guān)的復(fù)雜信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制，MIF與其跨膜受體CD74和功能受體CXCR之間的相互作用以及相關(guān)的生物學(xué)功能還不完全清楚。
　　本論文首先采用分子對(duì)接、分子動(dòng)力學(xué)模擬、MM/GBSA結(jié)合自由能計(jì)算和自由能分解的方法，從原子水平研究了MIF與一系列酚腙類抑制劑的結(jié)合模式，探討了MIF在與抑制劑結(jié)合過程中構(gòu)象的動(dòng)態(tài)變化，并分析了MIF重要氨基酸殘基及抑制劑的不同取代基對(duì)抑制劑結(jié)合的作用。基于分子模擬提供的信息，我

4、們?cè)O(shè)計(jì)了一系列候選抑制劑分子;根據(jù)理論預(yù)測(cè)的結(jié)果，其中3個(gè)化合物和MIF具有較強(qiáng)的結(jié)合能力，可能是更優(yōu)的MIF抑制劑。
　　為了尋找全新結(jié)構(gòu)的MIF抑制劑分子，基于MIF的的晶體結(jié)構(gòu)，采用Glide分子對(duì)接方法對(duì)包含超過100萬個(gè)化合物的ChemBridge和Specs兩個(gè)化合物數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了虛擬篩選。經(jīng)過REOS規(guī)則過濾以及基于分子指紋的聚類分析之后，最終購買了150個(gè)化合物并進(jìn)行D-多巴色素互變異構(gòu)酶活性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，10

5、個(gè)化合物具有微摩級(jí)別的抑制活性，3個(gè)化合物的抑制活性在10μM以下，其中一個(gè)化合物的抑制活性甚至在納摩尺度(IC50=550nM)。趨化實(shí)驗(yàn)、酶聯(lián)免疫吸附實(shí)驗(yàn)和細(xì)胞活性實(shí)驗(yàn)，表明這3個(gè)化合物也可以在體外抑制MIF的生物活性，表明MIF的互變異構(gòu)酶活性和生物活性之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性，這些結(jié)構(gòu)新穎的活性分子有望成為治療炎癥疾病的先導(dǎo)化合物。
　　根據(jù)最近的報(bào)告，CXCR2是MIF的重要功能受體。我們采用多種分子模擬方法探究了MIF與C

6、XCR2的可能結(jié)合模式。首先采用同源模建的方法構(gòu)建了CXCR2的三維結(jié)構(gòu);接著通過ZDOCK蛋白-蛋白對(duì)接方法預(yù)測(cè)了MIF單體與CXCR2幾種可能的結(jié)合模式;將預(yù)測(cè)的幾種CXCR2/MIF復(fù)合物結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了20ns的分子動(dòng)力學(xué)模擬和MM/GBSA結(jié)合自由能計(jì)算，通過結(jié)合自由能的預(yù)測(cè)結(jié)果確定了最可能的CXCR2和MIF結(jié)合模式;采用能量分解方法分析了蛋白-蛋白結(jié)合界面附近的重要熱點(diǎn)殘基。理論預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較好的一致性，對(duì)于深入理

7、解MIF與其功能受體CXCR的相互作用具有一定的指導(dǎo)意義。CXCR4是MIF的另一個(gè)功能受體，并且是唯一有晶體結(jié)構(gòu)報(bào)道的趨化因子受體，我們采用整合的分子模擬方法研究了CXCR4與其天然配體CXCL12的蛋白-蛋白相互作用，預(yù)測(cè)了兩者可能的近天然結(jié)構(gòu)，MM/GBSA結(jié)合自由能計(jì)算和自由能分解的結(jié)果與大部分實(shí)驗(yàn)數(shù)值具有較好的一致性;基于分子動(dòng)力學(xué)模擬和能量計(jì)算結(jié)果我們提出了CXCR4-CXCL12可能的結(jié)合機(jī)理。
　　在論文的最后一部

8、分，系統(tǒng)研究了不同的Amber分子力場(chǎng)（ff99、ff99SB、ff99SB-ILDN、ff03和ff12SB）、不同的配體部分電荷(ESP、RESP、AM1-BBC和Gasteiger)以及不同的分子動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)間尺度對(duì)MM/PBSA和MM/GBSA結(jié)合自由能預(yù)測(cè)結(jié)果的影響。包括5個(gè)蛋白體系:Avidin、Human thrombin、Neuraminidase、Pim(1)和Spleen tyrosine kinase。結(jié)果表明:(

9、1)在短時(shí)間的分子動(dòng)力學(xué)模擬中(1 ns)，基于ff03力場(chǎng)的MM/PBSA和MM/GBSA有最好的表現(xiàn);(2)在中等時(shí)間的分子動(dòng)力學(xué)模擬中(2-4 ns)，基于ff99力場(chǎng)的MM/GBSA和基于ff99SB力場(chǎng)的MM/PBSA有最好的表現(xiàn);(3)在大多數(shù)情況下，基于Tan等發(fā)展參數(shù)的MM/PBSA比MM/GBSA(GBOBC1)對(duì)同系物的結(jié)合能有更好的排序能力;(4)RESP電荷在MM/PBSA和MM/GBSA中都有最好的表現(xiàn)，AM1