论文部分内容阅读
HIV-1(human immunodeficiency virus type1, HIV-1)整合酶(integrase, IN)是重要的抗逆转录病毒药物靶点之一。在H1V-1生命周期中,整合酶的主要功能是催化经逆转录产生的病毒DNA整合到宿主细胞染色体DNA中。催化整合反应的过程中HIV-1整合酶与细胞辅助因子LEDGF/p75(lens epithelium-derived growth factor)蛋白发生相互作用。目前,针对HIV-1整合酶在病毒复制过程中所发挥的重要功能,已经开发出了许多具有特异性的抑制剂,如整合酶链转移抑制剂(integrase strand transfer integrases, INSTIs)和LEDGF/p75结合位点的变构抑制剂(allosteric inhibitors targeting LEDGF/p75binding site of HIV-1integrase, LEDGINs)。整合酶链转移抑制剂通过靶向由HIV-1整合酶与病毒DNA形成的复合物(整合体,intasome)的催化位点来抑制整合酶的活性,而LEDGINs则是结合到HIV-1整合酶的LEDGF/p75结合位点并通过变构机理抑制病毒的复制。美国食品药品监督管理局(FDA)分别于2007、2012和2013年批准整合酶链转移抑制剂Raltegravir,Elvitegravir和Dolutegravir用于艾滋病(AIDS)的治疗,说明HIV-1整合酶是一个安全、有效的开发抗HIV/AIDS治疗药物的靶点。但是,病毒耐药株的快速出现也对感染HIV-1患者的治疗提出了重大挑战。因此,基于结构合理设计下一代整合酶抑制剂迫在眉睫。尤其是设计抗耐药性的链转移抑制剂和具有更强活性的变构抑制剂。本论文首先概述了HIV-1及其整合体(酶)结构和功能、HIV-1整合体(酶)与相关小分子药物的相互作用机制、常见的计算机辅助药物设计(computer aided drug design,CADD)方法的原理。在此基础上,我们通过计算机辅助药物设计方法对INSTIs和LEDGINs的作用机制以及由于HIV-1整合酶突变产生耐药性的原因展开了研究。具体研究内容包括以下四个部分：本论文第一部分主要研究了抗HIV药物Raltegravir的作用机制。首先,通过同源模建和结构叠合,我们构建了HIV-1整合体及其与Raltegravir的结合模式。基于建立的模型,我们采用分子动力学模拟、结合自由能计算研究了病毒DNA与HIV-1整合酶、Raltegravir与HIV-1整合体的相互作用。研究结果表明Raltegravir通过与宿主DNA竞争性的结合到HIV-1整合体的一个特别构象来阻断链转移反应的发生。在这个过程中,Raltegravir的结合会使病毒DNA末端腺嘌呤A17上的3’-OH远离由Asp64, Asp116和Glu152及两个Mg2+组成的催化中心。本论文第二部分主要研究了几种常见的HIV-1整合酶突变(Y143R, Q148K, N155H, Q148H/G140S和N155H/E92Q)所引起的对Raltegravir的耐药性机理。研究发现理论计算得到的结合自由能与实验中测得的耐药性倍数的排序有很好的相关性。分子动力学模拟和结合自由能分解结果表明五个耐药性突变会引起HIV-1整合体活性位点整合酶140s loop (Gly140到Gly149)和病毒DNA末端碱基的构象变化,导致残基Tyr143, G4和A17对Raltegravir结合到突变型HIV-1整合中的能量贡献减小。本论文第三部分主要研究了HIV-1整合酶双突变E138K/Q148K对抗HIV药物Raltegravir, Elvitegravir和Dolutegravir产生交叉耐药的分子机理。分子动力学模拟和结合自由能计算发现,E138K/Q148K突变会引起整合体活性位点的结构重排、药物分子结合构象的变化、药物分子与催化位点金属Mg2+的螯合作用减弱以及药物与受体结合自由能的降低,但是突变对Dolutegravir的影响较小,可能与Dolutegravir的结构柔性较小有关。另外,残基作用网络分析发现在突变体系中氨基酸之间的信息交流的速度增加,这一变化与前面提到的结构重排现象相关。本论文第四部分主要研究了LEDGINsBI-1001和CX14442对HIV-1整合酶的变构抑制机理。以BI-1001与HIV-1整合酶的晶体结构为基础,通过分子对接得到了有较强活性的CX14442与HIV-1整合酶复合物的结构。接着,我们应用分子动力学模拟和结合自由能计算研究了BI-1001和CX14442以及LEDGF/p75与HIV-1整合酶的相互作用。研究结果表明CX14442结构中的叔丁基帮助它与HIV-1整合酶的疏水性口袋形成更好的结合。研究结果还表明,要设计新的、更加有效的变构抑制剂,一个策略就是延伸现有LEDGINs的结构,如设计新的LEDGINs时可以考虑摹拟LEDGF/p75整合酶结合区域残基Phe406和Va1408与HIV-1整合酶的作用。另外,分子动力学模拟结果显示BI-1001和CX14442的结合可以引起HIV-1整合酶活性位点的构象变化。上述研究结果从分子水平上揭示了HIV-1整合酶链转移抑制剂和变构抑制剂的作用机制,并解释了HIV-1整合酶突变所引起的对Raltegravir, Elvitegravir和Dolutegravir的耐药性机理,所得结果将有助于进一步发展更加有效的整合酶抑制剂。