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药物-靶标蛋白的识别和作用机理的研究一直是药物学和生命科学领域研究的热点和前沿。药物发挥药效的本质是药物有机小分子到达其作用的靶点后,与受体大分子相互作用的结果。药物与受体蛋白结合形成复合物的过程中,受体的构象会发生改变,进而触发一系列与药效有关的药理效应。因此,药物与靶标蛋白原子水平上的相互作用研究对蛋白质结构和功能的认识以及药物与蛋白受体之间相互作用机制的理解具有重要的意义,还能为新靶点的发现和有效药物的设计提供理论指导。本文所进行的配体与靶标蛋白(蛋白酪氨酸磷酸酶1B、脂肪酸结合蛋白4和5、表皮生长素受体蛋白、热休克蛋白)结合自由能的理论计算以及对抑制剂结合所导致的蛋白构象变化的研究将为新药物的设计提供一定的理论基础。蛋白酪氨酸磷酸酶1B(Protein Tyrosine Phosphatase 1B,PTP1B)是设计和开发治疗II型糖尿病和肥胖症的药物最有前景的靶标之一。分子动力学(Molecular Dynamics,MD)模拟与分子力学-广义波恩表面积(Molecular Mechanics-Generalized Born Surface Area,MM-GBSA)以及溶剂化相互作用能(Solvated Interaction Energy,SIE)方法相结合来研究三种抑制剂(ID:901,941和968)与PTP1B的结合亲和力,计算结果表明抑制剂901对PTP1B具有最强的结合能力。利用主成分(Principal Component,PC)分析来研究PTP1B的构象变化,结果表明抑制剂与PTP1B的结合对色氨酸-脯氨酸-天冬氨酸环(WPD-loop)的运动产生显著影响。应用自由能分解法研究了单个残基对抑制剂结合的影响,发现三种抑制剂可以与PTP1B的关键残基产生氢键或疏水相互作用,这为抑制剂与PTP1B的结合提供了重要的驱动力。该研究有望为设计和开发治疗II型糖尿病和肥胖症的有效药物提供有意义的理论指导。设计脂肪酸结合蛋白4和5(Fatty Acid Binding Proteins 4 and 5,FABP4和FABP5)的高效选择性抑制剂对于治疗与炎症、代谢和肿瘤生长相关的一些疾病是至关重要的。该研究探究了三种抑制剂(5M7,65X和65Z)与FABP4/FABP5的结合选择性,结果表明所有抑制剂倾向于与FABP4结合,驱动抑制剂与FABP4和FABP5选择性结合的主要因素是抑制剂与两种蛋白中关键残基间范德瓦尔斯相互作用和极性相互作用的差异。同时,应用自由能分解方法揭示了抑制剂与两种不同蛋白质中单个残基选择性结合的分子机制。计算结果表明抑制剂与(FABP4,FABP5)中残基(Phe16,Phe19),(Ala33,Gly36),(Phe57,Leu60),(Ala75,Ala78),(Arg126,Arg129)和(Tyr128,Tyr131)的结合差异驱动了抑制剂对FABP4和FABP5的选择性结合。该研究将为进一步设计有效药物来预防一系列代谢疾病,动脉硬化和炎症提供很大帮助。表皮生长因子受体(Epidermal Growth Factor Receptor,EGFR)是治疗癌症最有希望的靶点之一,双突变T790M/L858R导致蛋白对抑制剂产生不同程度的耐药性。主成分分析表明,T790M/L858R对EGFR的结构稳定性造成明显的干扰。利用分子力学-泊松玻尔兹曼表面积(Molecular Mechanics-Poisson Boltzmann Surface Area,MM-PBSA)和自由能分解方法相结合的方法,探讨了T790M/L858R对EGFR耐药机制的影响。结果表明,与野生型(Wild Type,WT)相比,抑制剂与突变型EGFR之间范德瓦尔斯相互作用的降低是诱导T790M/L858R对抑制剂TAK-285的耐药性的主要因素,而T790M/L858R对HKI-272和W2P的抗药性主要是范德瓦尔斯相互作用的降低和极性相互作用的增强。我们期待从这项研究中获得的信息对药物的合理设计有所帮助,以减轻T790M/L858R诱导的EGFR的耐药性。热休克蛋白90(Heat Shock Protein 90,HSP90)是治疗癌症的理想靶点,并且抑制剂与HSP90的结合可导致其伴侣蛋白质的降解,从而以多种方式对肿瘤产生联合攻击。在这项工作中,对六个系统进行了140 ns的MD模拟。随后的主成分分析表明抑制剂的结合使得HSP90的构象发生较大变化,并且这些变化倾向于增大结合口袋的体积以促使抑制剂的进入。同时,将MM-PBSA、MM-GBSA和SIE方法组合起来以预测抑制剂与HSP90的结合能力。令人鼓舞的是,计算结果的排序与实验结果的排序一致。基于单个残基能量贡献的层聚类分析表明,位于树形图A组中的20个残基对抑制剂结合起主要作用。残基中每个原子对范德瓦尔斯相互作用的贡献以及抑制剂与HSP90之间的氢键相互作用的分析表明,重要残基与抑制剂关键区域的范德瓦尔斯和氢键相互作用是促进抑制剂与HSP90结合的主要因素。我们希望这项工作可以为开发针对HSP90的高效抑制剂提供有用的理论信息。迄今为止,MD模拟已经成为研究蛋白质构象变化以及配体-蛋白质结合机制的通用工具,主成分分析在研究蛋白构象方面发挥了重要的作用。此外,还有几种计算抑制剂与蛋白质结合自由能的方法,如自由能微扰(FEP)、热力学积分(TI)和MM-PBSA/GBSA。尽管FEP和TI能够实现精确计算,但是这两种方法需要大量的计算资源和时间,因此在药物设计中不能得到广泛的应用。相反MM-PBSA/GBSA方法不仅能获得合理的计算结果,而且还能节省大量的计算资源和时间。因此,这两种方法已成功地用于预测蛋白质与抑制剂的结合自由能。我们希望本文的研究能为抑制剂的设计提供很好的帮助。