利用分子对接模拟研究环境污染物与雌激素受体的作用机制

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近年来,环境中具有雌激素效应的污染物引起研究者们的广泛重视。它们所涉及的化学物来源广且结构差异大,在全球的土壤、大气和水体中以较低的浓度长期存在,可以干扰生物体的生长、发育、繁殖等多项生理功能,作用于人体的神经、血管、泌尿等多个系统,以及乳房、骨骼、脑等多个器官,而且可能诱发乳腺癌等多种疾病。为了快速预测大批量污染物的雌激素效应,或从分子水平上解释它们的作用机理,分子对接程序在现阶段被普遍用于模拟污染物配体与雌激素受体间的结合过程。这些计算机模拟方法以量子力学为基础进行相应的估计和假设,比实验方法节约了大量的时间和成本。但是现有的对接程序和方法仍然存在很多问题。所以利用分子对接模拟环境雌激素及其受体的作用机制,不仅可以拓展人们对雌激素效应的了解,而且可以为实际应用提供指导。目前为止,国内的相关研究还较少。   在本论文中,以环境雌激素为研究对象,以蛋白质数据库中现有的所有雌激素复合物晶体为基础,以Autodock分子对接程序为主要的工具,进行了多轮的原位和交叉对接。第一部分把配体原位对接到其原始受体中,初步分析了模拟失败和成功的原因,探讨了配体、受体和程序三方面的影响。最终,为了控制成本和提高稳定性,论文中列出了三项可调程序参数的推荐数值,并建议采用晶体构象作为配体的初始结构,以减少来自不合理的初始结构的误差,同时经过比较权衡,笔者认为保持受体上的主要结构,而对新添加的氢原子进行能量优化,并且去除结合空腔里的所有水分子,是现阶段有助于获得对接成功的受体文件准备方法。   随后,同时考虑雌激素受体α和β两个亚型,以及激活和拮抗两个状态,可以粗略分为四组构象。在本论文中,比较了各组内部和相同亚型的组间,整体以及配体结合的热点区域上,受体的碳骨架和残基侧链的RMSD值。结果发现,整体说来组间的构象差异要明显大于组内,而各组内部除了受体上大部分守恒的基础结构,和H12等移动剧烈的外围结构,在配体结合位点附近变化较为显著,特别是某些关键残基。   第二部分中主要是通过把现有配体交叉对接到组内和组间的其他受体中,探讨了受体构象上细微或显著的差异可能对模拟产生的影响。总体说来,上述四组的组间交叉结果劣于组内的情况,而各组的表现也各具特点。具体分析,除了由于配体亲和度低、结构复杂而导致的失败,受体上某些残基位置的变化,甚至于晶体结构上的固有缺陷,都可能使得交叉模拟成功或失败。虽然大多数受体构象都具有一定的预测能力,但是在刚性受体交叉对接时,即使在组内也难以获得大部分成功。   最后,通过分析多重受体构象和选择性自由度两种受体柔性方法的优劣,在本论文中把它们联合提出了新的对接方法--部分柔性多重受体构象(PFMRC)。本方法包括受体分类和关键残基两部分。以上文的受体构象RMSD值的比较,原位和交叉对接为基础,把现有的雌激素晶体中的受体构象分为五类,然后从受体上挑选出具有灵活性的残基侧链。最终,获得了α激活、α拮抗和β激活这三组的代表受体及其关键残基的组合,并且应用到各组的交叉对接中,成功率约为60%,接近于原位对接。
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