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在过去的半个多世纪里,由干旱造成的作物减产约为10%,已成为最常见、影响最大的自然灾害之一。由此可见,干旱给现代化的农业生产带来了巨大压力,因此,如何提高作物的耐旱性是我国农业现代化进程中确保粮食安全所面临的一个重大科学问题。脱落酸(Abscisic acid,ABA)能够有效地缓解这一问题,并提高植物的抗逆能力。有科研小组通过小分子探针得到了ABA 的受体蛋白 PYR/PYL/RCARs(Pyrabactin Resistance 1/PYR-like Proteins/Regulatory Components of ABA Receptor)。当 ABA 与其结合后,抑制下游 PP2C(Protein Phosphatase 2C)的活性。同时,释放SnRK2s(SNFl-related proteinkinase2),从而完成ABA的信号传递。尽管化学小分子探针在ABA受体发现及调控机制研究中起到了重要的作用,但是PYLs蛋白小分子调控剂较为少见。主要原因在于:1、ABA调控的PYLs蛋白家族成员众多,且存在功能上的冗余效应,抗旱成靶性尚不清楚;2、ABA受体PYLs蛋白可分为二聚体和单体两类,其对ABA的识别差异性尚不明确;3、ABA调节PYLs构象变化的机制尚不清楚。总之,ABA调控受体蛋白PYLs活化的分子基础还有待深入研究,而这些研究无疑对于PYLs蛋白小分子调控剂的合理设计具有非常重要的指导意义。本论文主要是围绕如上问题展开的。首先,采用生物信息手段对脱落酸受体进化的分子机制进行研究。对多个物种的PYLs基因进行收集、分类。在此基础上,我们对该家族蛋白的基因分布、基因结构和基因表达量进行分析、比较。同时,采用系统发育树的方法对蛋白的进化历程进行进一步的研究。随后,根据Motif对该家族蛋白进行进一步的分类。最后,根据分类对正选择位点和功能分歧位点进行计算。同时,在拟南芥PYL1的基础上对如上位点进行突变和相应的结合自由能差值计算,并明确相应位点对PYLs功能的影响。其次,研究脱落酸调控受体PYLs蛋白的构象变化是一个非常复杂的任务。因此,我们对分子动力学方法进行总结并搭建配体动态调控蛋白受体构象变化的云计算服务器。基于CMD(Conventional Molecular Dynamics),SMD(Steered Molecular Dynamics)和 NMA(Normal Mode Analysis)方法及Bio3d,MDTraj等工具开发了快速高效的LARMD自动化动力学程序。该程序能够自动完成非标准氨基酸力场参数的建立、小分子进出蛋白通道的计算、分子动力学模拟、动力学轨迹分析等工作。同时,我们采用了强大的Web应用程序平台—LAMP搭建了云计算服务器(http://chemyang.ccnu.edu.cn/ccb/server/LARMD)。该服务器功能强大,能够满足绝大多数非专业科研工作者对分子动力学的需求,它不仅能够被用于确认小分子与蛋白的结合模式,同时能够模拟小分子在蛋白中的进出过程。更为重要的是,该服务器提供了多种构象分析方法,能够帮助我们更为快捷高效地捕捉构象变化。再次,在LARMD服务器的基础上,对脱落酸调控受体活化的分子机制进行研究。我们以PYL2为模板进行分子模拟。采用Int mod模块的输出结果,进一步进行长时间的动力学模拟,并通过结合自由能计算、伞形采样及平均力势计算等方法对ABA调控受体活化的分子机制进行研究,我们的计算结果与前人的假设一致。在ABA激活PYLs的过程中,其在单体和二聚体中的进出通路完全不同。但是,ABA与二者的结合自由能却相差不多,并且进入过程均无能垒。ABA在二聚体中表现出来的低结合能力,是由二聚体解聚引入的热力学判罚造成的。由此可知,二聚体解聚影响ABA活化二聚PYLs。与此同时,我们建立了自动化的平均力势计算方法AUTO-PMF,该方法可以被应用于后续其它体系的计算当中。我们预测的重要氨基酸残基位点,也为今后的工作奠定了基础。最后,在ABA调控PYLs蛋白活化分子机制研究的基础上,我们希望进一步筛选得到能够调控PYLs蛋白的化学小分子探针。基于一致性对接与一致性打分的方法设计了自动化虚拟筛选软件AUTO-CDVS,并将其应用于PYLs体系的药物分子设计当中。我们分别采用Specs和ChemDiv数据库对PYR1-HAB1的复合物结构进行筛选,并获得了苗头化合物04554115、01444403。同时,我们基于04554115进行改造,最终获得了活性较好并且与PYR1结合能力较好的先导化合物Y18244(本章中的化学合成和活性测试工作是由课题组内其他同学完成的)。