众所皆知,HIV(human immunodeficiency virus,HIV)病毒导致的AIDS(acquired immunodeficiency syndrome,AIDS)病严重地危害了公众健康。尽管30多年来逆转录疗法已经减少了AIDS病人的死亡人数并提高了他们的生活质量。然而,还没有药物能够用来预防和消除AIDS病。设计并产生一种安全、有效的疫苗是社会的必然需求。设计和发现具有广泛中和能力的抗体是疫苗研究的一条重要路径。目前已经分离并识别了许多具有广泛中和能力的抗体(broadly neutralizing antibodies,b NAbs),其中,许多b NAbs靶向HIV-1 gp120。尽管这些b NAbs和gp120复合物的晶体结构已被报导,然而,这些静态的结构信息对抗体结合怎样影响gp120构象重排和阻止HIV感染机理的认识远远不够。鉴于分子动力学模拟方法在研究大分子构象变化方面所具有的优势,本论文应用分子动力学模拟并结合多种分析手段研究了b NAbs和gp120的相互作用进而揭示抗体中和HIV病毒的分子机理以及抑制病毒进入宿主细胞的机理。具体研究内容主要包括以下四个方面:论文的第一部分研究了VRC01广泛和强效地中和HIV-1的分子机制。HIV-1感染宿主细胞从gp120和CD4结合开始,因此,gp120上的CD4结合位点(CD4 binding site,CD4bs)是设计抗体的一个重要的靶点。CD4结合位点抗体也是一类重要的抗HIV的抗体。VRC01是一种CD4bs抗体,其中和HIV-1的广度达90%。另外,VRC01正在进行临床试验研究。基于这个抗体的重要性,为研究这一抗体中和HIV病毒的分子机理,我们对gp120-VRC01复合物和自由的gp120和VRC01分别执行了分子动力学模拟。残基能量分解结果表明gp120的loop D、CD4-binding loop和loop V5上的Asn280、Lys282、Asp368、Ile371和Asp457是gp120-VRC01相互作用的热点残基。对VRC01来说,抗体重链的Trp47、Trp50、Asn58、Arg61、Gln64和Trp100和抗体轻链的Tyr91对VRC01与gp120相互作用非常重要。进一步分解整个结合自由能成不同的组分,我们发现分子间范德华相互作用和非极性溶剂化能是gp120-VRC01结合的主要驱动力。主成分分析和聚类分析表明VRC01的结合能稳定与HIV-1抵抗抗体中和相关的loops D和V5的构象,而且,VRC01的N末端Glu1的构象变化改变了Asn461和Asn462的取向。这一研究的结果可以为抗HIV-1抗体的设计提供有价值的参考。VRC01类抗体是已经分离的CD4结合位点bNAbs中最多的一类,除VRC01以外,还有VRCPG-04和VRC23。除了这一类抗体,CH235也是一个重要的CD4结合位点抗体,其中和HIV-1的广度超过90%。那么这两类抗体是否具有相似的机制,造成他们具有不同中和能力的原因又在哪里?为比较两类抗体中和HIV-1病毒的分子机理,论文的第二部分应用分子动力学模拟方法阐释了两类抗体包括CH235及VRC01类抗体VRC01、VRCPG-04和VRC23广泛地中和HIV-1的分子机理。结合自由能计算结果表明gp120和CH235结合最好,gp120和VRC01结合稍微比gp120和CH235结合弱,gp120和VRC23复合物最不稳定。残基能量分解结果表明gp120的loops D和V5、CD4 binding loop和桥联片对b NAbs和gp120结合具有重要贡献,其中,loops D和V5是最为主要的贡献区域。CH235重链的蛋白区域Val96-Leu100C、VRC01重链的Asn97-Trp100B、VRC-PG04重链的Tyr98-Trp100D和VRC23重链的Arg97-Trp100C分别与loop D形成有利的氢键相互作用。这些氢键对gp120的loops D和V5和这些抗体之间的相互作用起决定性作用,进而导致这些抗体能够广泛地中和HIV-1。另外,氢键的不同强度导致这些抗体中和力的差别。本研究揭示了b NAbs如CH235、VRC01、VRC-PG04和VRC23具有广泛的和差别的中和病毒能力的根源。论文的第三部分研究了gp120的辅助受体结合位点抗体X5和17b广泛地中和HIV-1的分子机理。辅助受体结合位点在HIV-1进入宿主过程中扮演重要作用。这个位点主要由桥联片与loop V3构成并且它的序列高度保守,因而,对设计抗体和小分子抑制剂来说,这个位点是一个很有前景的和特别有吸引力的靶标。X5和17b是辅助受体结合位点抗体的典型代表。研究X5和17b和gp120的相互作用机理有助于深入理解辅助受体结合位点抗体抑制病毒进入宿主细胞的机理。这里,为研究X5和17b广泛地中和病毒的机理,我们对X5和17b与gp120及CD4的复合物进行了分子动力学模拟研究。模拟结果表明X5和17b对gp120的CD4结合位点和辅助受体结合位点都有影响。当模拟体系包含或不包含CD4时,X5和17b对CD4结合位点的影响不同。具体来说,当仅抗体结合gp120时,抗体的结合增加了CD4 binding loop的柔性、降低了loop V1/V2的β-sheet的含量和增加了β20/β21和CD4 binding loop间的距离。gp120的CD4结合位点发生的这些变化不利于CD4和gp120结合。当gp120已经结合CD4时,CD4的结合主要决定了CD4结合位点的构象变化,而抗体的结合稍微有利于gp120-CD4结合。不管模拟体系是否包含CD4,抗体的结合对辅助受体结合位点的loop V3的邻近区域的影响一致。抗体的结合加强了loop V3的邻近区域与gp120其他区域及该区域与抗体的相互作用,进而不利于loop V3的邻近区域发生构象重排和进一步结合辅助受体。因而X5和17b能够广泛地中和HIV-1。另外,我们还发现Loop V3、桥联片与X5相互作用导致loop V3发生构象关闭。关闭的loop V3构象将进一步终止它与gp120其他区域的信息交流并影响了gp120的构象重排。本研究获得的信息可指导靶向辅助受体结合位点的疫苗设计。论文的第四部分研究了聚糖怎样调控gp120和CD4、gp120和抗体相互作用的机理。聚糖不但是gp120的重要组成部分,而且能够调控许多CD4bs抗体的中和能力。因而,聚糖是中和性抗体的重要靶点并且在现在和将来的免疫原设计中是一个必须要考虑的组分。其中,234和276 gp120聚糖能够调控许多抗体的中和能力。由此表明,234和276 gp120聚糖对抗体中和病毒非常重要。因此,我们通过分子动力学模拟研究了234和276 gp120聚糖怎样调控gp120-抗体和gp120-CD4相互作用。分析结果表明276 gp120聚糖通过氢键同时连接CD4和抗体进而加强gp120-CD4和gp120-抗体相互作用。234 gp120聚糖连接gp120的Phe93-Trp96、Lys227-Gly235、Glu268-Ser274和Arg480-Leu483区域和抗体重链的Val27-Asn28和Asp73-Ser77区域。因此,gp120-抗体相互作用加强,而gp120-CD4相互作用受到弱的影响。两个聚糖一起协作显著地加强了gp120-CD4和gp120-抗体结合。加强的gp120-抗体结合是由于234 gp120聚糖导致两个聚糖和抗体重链可变区上移。结果,276 gp120聚糖和CD4间的氢键相互作用显著地被削弱。这些削弱的相互作用反而有利于CD4和loop V5相互作用。因而,gp120-CD4相互作用加强,loop V5构象打开。本研究获得的信息能够指导靶向聚糖的疫苗设计。总的来说,本论文从分子水平上揭示了靶向gp120上的CD4结合位点和辅助受体结合位点抗体广泛地中和HIV-1的机理,并识别了这些抗体具有广泛中和作用的关键结构特征。在此基础上,进一步揭示了聚糖在gp120-CD4和gp120-抗体相互作用中所起的关键作用。这些信息对于抗HIV-1病毒抗体的设计具有重要的理论和实际应用价值。