计算机辅助设计抗HIV-1整合酶抑制剂的研究进展

HIV-1整合酶是HIV-1生命周期中必不可少的酶之一,已成为目前最具潜力的抗HIV药物设计的靶点之一。2007年,Merk公司研发的MK-5108作为首个整合酶抑制剂药物被美国食品药物管理局批准上市,标志着整合酶抑制剂研究的重大突破,也激发了抗HIV-1整合酶抑制剂研究的新一轮高潮。计算机辅助药物设计(computer-aided drug design,CADD)具有效率高、成本低等特点,基于计算机辅助手段合理药物设计已取得了很大的进展。文章综述了近几年来计算机辅助设计抗HIV整合酶抑制剂及耐药机理方面的研究进展。     

HIV-1整合酶核心区野生型和F185K突变型活性和溶解性的比较及分子动力学模拟分析

表达纯化了野生型(WT)及F185K突变型HIV-1整合酶核心区蛋白(IN_C),并对二者的溶解性和活性进行了比较．实验结果表明：F185K 突变后IN_C溶解性显著提高,活性有一定程度降低．对WT和F185K IN_C体系进行了1800 ps的分子动力学模拟．模拟结果表明：F185K IN_C功能loop区柔性和蛋白质整体运动性降低,使蛋白质活性降低,F185K突变后盐桥网络的变化驱动了IN_C局部构象改变,引起IN_C表面的部分疏水残基被包埋,亲水残基暴露,相对亲水溶剂可接近面积增大,同时,突变后IN_C与水之间形成氢键的数量增加,与水之间作用加强,以上变化使IN_C溶解性提高．分子动力学模拟与实验结果相吻合．为理解蛋白质溶解性和对蛋白质进行可溶性改造提供了一定的理论依据．     

HIV-1整合酶去整合活性高通量检测方法的建立

HIV-1整合酶催化病毒DNA与宿主细胞基因组整合,是病毒复制所需的关键酶之一,也是抗病毒药物研发的重要靶点.IN及其核心结构域均能在体外催化去整合反应.本研究表达纯化了IN和IN-CCD蛋白,建立了一种检测IN和IN-CCD去整合活性的微孔板式高通量方法.设计了生物素和地高辛修饰的去整合DNA底物,运用链亲和素标记的珠子捕获反应产物,再通过酶标地高辛抗体及随后的酶联免疫吸附实验方法对地高辛定量以检测去整合.结果显示,IN和IN-CCD催化的去整合反应信号（A405）分别达到1.6和1.2,而背景信号值低于0.05;IN去整合反应更倾向于使用Mn2＋而不是Mg2＋作为金属辅助离子;研究还发现,已知的IN抑制剂baicalein是IN-CCD抑制剂.以上结果表明,本工作建立的检测方法能高通量、高灵敏度和高特异性地研究去整合反应,并能够应用于以IN为靶点,特别是以IN-CCD为靶点的HIV抑制剂的筛选.     

基于HNP模型及相对熵的蛋白质设计方法在不同蛋白质体系中的应用

详细考察了基于HNP(H:hydtophobic,N:neutral,P:hydrophilic)模型及相对熵的蛋白质设计方法对于不同结构类型蛋白质的适用性,并与基于HP模型的结果进行了比较.通过对190个4种不同结构类型的蛋白质进行预测,结果表明,基于HNP模型及相对熵的设计方法对于不同结构类型的蛋白质具有普适性.进一步的研究发现,对于α螺旋、β折叠等规则的二级结构,该方法的预测成功率高于无规卷曲结构预测成功率.另外,还比较了对不同氨基酸的预测差异,结果显示亲水残基的预测成功率较高.此外,研究表明该方法对于蛋白质保守残基的预测成功率高于非保守残基.在以上分析的基础上,进一步讨论了导致这些差异的原因.这些研究为基于相对熵的蛋白质设计方法的实际应用和进一步的发展打下了良好基础.     

蛋白质复合物结构预测的集成分子对接方法

蛋白质分子间相互作用与识别是当前生命科学研究的热点,分子对接方法是研究这一问题的有效手段．为了推进分子对接方法的发展,欧洲生物信息学中心组织了国际蛋白质复合物结构预测（CAPRI）竞赛．通过参加CAPRI竞赛,逐步摸索出了一套用于蛋白质复合物结构预测的集成蛋白质一蛋白质分子对接方法HoDock,它包括结合位点预测、初始复合物结构采集、精细复合物结构采集、结构成簇和打分排序以及最终复合物结构挑选等主要步骤．本文以最近的CAPRI Target 39为例,具体说明该方法的主要步骤和应用．该方法在CAPRI Target 39竞赛中取得了比较好的结果,预测结构Model 10是所有参赛小组提交的366个结构中仅有的3个正确结构之一,其配体均方根偏差（L_Rmsd）为0．25nm．在对接过程中,首先用理论预测和实验信息相结合的方法来寻找蛋白质结合位点残基,确认CAPRI Target 39A链的A31TRP和A191HIS,B链的B512ARG和B531ARG为可能结合位点残基．同时,用ZDock程序做不依赖结合位点的初步全局刚性对接．然后,根据结合位点信息进行初步局部刚性对接,从全局和局部对接中挑出了11个初始对接复合物结构．进而,用改进的Rosetta Dock程序做精细位置约束对接,并对每组对接中打分排序前200的结构进行成簇聚类．最后,综合分析打分、成簇和结合位点三方面的信息,得到10个蛋白质复合物结构．竞赛结果表明,A191HIS,B512ARG和B531ARG三个结合位点残基预测正确,提交的10个蛋白质复合物结构中有5个复合物受体一配体界面残基预测成功率较高．与其他参赛小组的对接结果比较,表明HoDock方法具有一定优势．这些结果说明我们提出的集成分子对接方法有助于提高蛋白质复合物结构预测的准确率．     

静电和疏水效应对胰岛素二聚体稳定性的影响

从猪胰岛素二聚体的结构出发,着重研究了胰岛素二聚体单体之间的静电和疏水相互作用,用连续介质模型的有限差分方法计算得到胰岛素二聚体的静电势,用溶剂可接近表面（ASA）模型分析了分子表面积及疏水性,还考察了不同pH值对胰岛素二聚体静电和疏水相互作用的影响。结果分析表明,当pH值处于弱酸弱碱范围内时（4．6－8．5）,静电相 互作用能和疏水自由能都呈现出较小的值,当pH为6．2时,疏水性出现一个明显的峰值,这与胰岛素二聚体结晶的实验条件相吻合。     

HIV-1跨膜蛋白gp41螺旋结构的原核表达及功能研究

HIV-1跨膜蛋白gp41是HIV-1包膜与靶细胞膜的融合过程中的关键蛋白,是理想的HIV-1融合抑制剂靶点。为开展以gp41为靶点的抑制剂筛选,以HIV-1 B亚型病毒基因为模板,通过PCR、酶切、连接等方法构建得到gp41 5-helix与6-helix重组质粒,转入大肠杆菌BL21（DE3）进行表达,经变性和复性后亲和层析纯化蛋白。经SDS-PAGE鉴定,纯化后蛋白纯度较高。本研究还通过非变性凝胶电泳证明gp41 5-helix与C-多肽衍生物T-20存在相互作用,为下一步药物筛选模型的建立奠定了基础。     

胰岛素六聚体在水溶液中的构象柔性研究

用分子动力学（MD)模拟方法设计了两个模拟时间为600ps的对比计算机模拟实验,研究了R6态的胰岛素六聚体在水溶液中的构象柔性。通过对MD模拟所得到的轨迹的分析发现,包含锌离子和苯酚的胰岛素六聚体体系的构象柔性弱于不含锌离子和苯酚的胰岛素六聚体体系,对于不包含锌离子和苯酚的体系,胰岛素六聚体的构象柔性表现得较为突出,特别是在实验研究认为与胰岛素和受体结合位点有关的每个单体的B链羧端的β折叠部分,发生了快速而显著的构象变化,表现出了很大的构象柔性。这些模拟结果与实验观测结果相吻合。     

T66I突变提高HIV-1整合酶可溶性研究

在研究HIV-1整合酶（IN）抗药性突变T66I时,发现这一突变同时可以提高整合酶的溶解性。原核表达了IN1–288/T66I和野生型（WT）,取菌体破碎后的上清, SDS-PAGE和his标签蛋白质染色进行分析,结果表明IN1–288/T66I可溶性约是WT的2.4倍。600 ml培养基中诱导表达IN1–288/T66I/BL21,亲和层析纯化共收获蛋白质4.72 mg。用改进的ELISA方法测定IN1–288/T66I和IN1 288/F185K /C280S链转移催化活性,结果显示两种蛋白质活性基本相当。提供了有别于F185K /C280S突变的另外一种整合酶可溶性表达的途径,IN1–288/T66I重组蛋白还可以应用到整合酶抑制剂筛选中,以获取避开T66I抗药性突变的抑制剂。     

HIV-1整合酶蛋白的可溶性表达及功能研究

HIV 1整合酶是HIV病毒复制中一个重要的酶,也是治疗艾滋病药物的一个重要靶点。为了开展以整合酶蛋白为靶点的抑制剂筛选,构建HIV 1整合酶重组质粒,在原核细胞中进行可溶性表达和功能研究。通过重叠PCR技术引入F185K和C280S突变于HIV 1 B亚型标准株的整合酶cDNA片段中,PCR扩增片段克隆到pET 28a(+)表达载体中,构建重组质粒,在E. coli中进行整合酶基因表达,SDS PAGE鉴定表达产物,亲和层析纯化蛋白,酶联免疫吸附实验方法测定整合酶的生物学活性。结果构建的重组质粒获得高效稳定的可溶性表达,ELISA实验证实该蛋白具有整合酶的3′切割DNA和5′链转移的活性。HIV 1整合酶蛋白的可溶性表达和活性研究为建立以整合酶为靶点的抗HIV药物筛选平台打下了基础。