生物物理学专业优秀论文生物物理学专业优秀论文 以以 HIV-1HIV-1 gp41gp41 与与 CCR5CCR5 为靶点的药物设为靶点的药物设计研究计研究关键词：艾滋病关键词：艾滋病 靶向疗法靶向疗法 药物设计药物设计 计算机技术计算机技术摘要：自 1981 年 6 月世界发现首例艾滋病患者至今，已有 2500 万人死于由 HIV 病毒引起的疾病。2000 年以来，尽管全球范围内的艾滋病传播已基本稳定， 但每年仍有极高的 HIV 感染率和 AIDS 死亡率。联合国艾滋病报告显示，2007 年全世界有大约 3300 万 HIV 感染者，约 200 万人死于艾滋病1。历经 20 多年 的研究，HIV 病毒仍然是疫苗研发的难点，因此目前的艾滋病治疗主要依赖于 抗 HIV 化学药剂的研究。高效抗逆转录病毒疗法(鸡尾酒疗法，HAART)联合使用 几种抗 HIV 药物(通常为 34 种)，已经在临床治疗中取得了极大成功。但是长 期使用的毒副作用和耐药性的出现使这种方法的疗效受到限制。HIV 病毒生活 周期历经若干个阶段，暴露出多个药物设计的靶点。近年来，阻止病毒进入宿 主细胞的 HIV 进入抑制剂引起了医药研究界的广泛关注。其中，T-20(又名 Fuzeon)已经在 2003 年由 FDA 批准用于临床治疗。计算机辅助药物设计(CADD) 作为一个迅速发展的新领域，能够结合最新的数据和技术，提供多种方法及途 径，以满足药物研发的需求。CADD 的应用目前已经贯穿药物研发的全过程，为 提高这一产业的生产率做出了巨大贡献。计算方法的使用不仅实现了高效的药 物开发和先导化合物优化过程，而且能为研究药物与靶标的相互作用提供重要 信息。本文结合 CADD 方法，对以 HIV-1 gp41 与 CCR5 为靶点的药物设计进行了 研究。主要内容如下： (1)HIV-1 跨膜蛋白 gp41 与抑制剂 NB-2 和 NB-64 的 结合模式研究。NB-2 和 NB-64 是最近发现的两种氮-取代吡咯衍生物，能够干 预 HIV-1 gp41 六螺旋结构的形成从而抑制病毒与细胞的膜融合过程。揭示这两 个抑制剂与 gp41 的结合模式可以为设计 HIV-1 融合抑制剂提供重要信息。采用 分子对接，分子动力学(MD)模拟和 MM-PBSA/MM-GBSA 分析方法预测 NB-2 和 NB- 64 与 gp41 疏水口袋的结合模式与作用机理。分子对接采用多种受体构象，并 从结果中选取几种可能的结合模式进行 MD 模拟，然后通过 MM-PBSA 计算结合能 的方法识别最优的结合模式。MM-PBSA 计算结果表明，范德华相互作用是结合 的主要驱动力，而极性相互作用决定了配体在结合过程中的取向。进一步的结 合能分解显示，配体的羧基与 gp41 残基 Arg579 的静电相互作用对结合有重要 贡献。本工作为进一步优化氮-取代吡咯衍生物类的 HIV-1 融合抑制剂建立了良 好的出发点。 (2)合理设计与合成新的 HIV-1 融合抑制剂。基于所预测的 NB-2 与 gp41 疏水口袋的结合模式，我们采用一种从头药物设计方法(LeapFrog)改 造 NB-2 的结构，旨在设计新型有效的 gp41 选择性抑制剂。共设计了 103 个化 合物.并用分子对接预测这些化合物的结合模式与结合能力。这些化合物具有己 知 gp41 抑制剂所没有的结构特征，并且大部分化合物的结合自由能都比 NB-2 低。利用从头设计的结果为指导，我们设计了一组新的作用于的 gp41 抑制剂， 并已合成和测定了其中七个。在体外实验中，这七个新化合物能够一定程度地 抑制 gp41 六螺旋结构的形成。目前其它化合物的合成还在进行，有望得到具有 较高活性的化合物，以用作先导化合物，进行进一步研究。 (3)吡咯烷类 CCR5 拮抗剂的三维定量构效关系分析。为研究 CCR5 拮抗剂的结构-功能关系， 我们选用一系列 1，3，4-取代的吡咯烷类 CCR5 拮抗剂构建 CoMFA(比较分子立场分析)模型。从中挑选 72 个结构和活性有较大差异的化合物作为训练集分子 用于 CoMFA 模型的构建。首先用两种叠合规则将这些分子进行叠合：公共结构 叠合和力场叠合。然后用偏最小二乘回归法(PLS)对这两组叠合结果进行分析， 分别构建 CoMFA 模型。对这两种模型采用区域聚焦方法消除噪音，得到另两个 模型。选用另外 39 个此类化合物作为测试集对所购建的四个模型进行测试。公 共结构叠合方法经区域聚焦后得到的 CoMFA 模型显示出最好的统计特性和预测 能力：常规相关系数 r2=0.952，交叉验证系数 q2=0.637，测试集进行活性预测 的相关度为 R=0.785。该模型的等高线图将这些拮抗剂与 CCR5 结合的关键的立 体和静电特征可视化，模拟显示出可能的受体.配体相互作用。本工作能够为这 类 CCR5 拮抗剂的结构改造提供有用线索。正文内容正文内容自 1981 年 6 月世界发现首例艾滋病患者至今，已有 2500 万人死于由 HIV 病毒引起的疾病。2000 年以来，尽管全球范围内的艾滋病传播已基本稳定，但 每年仍有极高的 HIV 感染率和 AIDS 死亡率。联合国艾滋病报告显示，2007 年 全世界有大约 3300 万 HIV 感染者，约 200 万人死于艾滋病1。历经 20 多年的 研究，HIV 病毒仍然是疫苗研发的难点，因此目前的艾滋病治疗主要依赖于抗 HIV 化学药剂的研究。高效抗逆转录病毒疗法(鸡尾酒疗法，HAART)联合使用几 种抗 HIV 药物(通常为 34 种)，已经在临床治疗中取得了极大成功。但是长期 使用的毒副作用和耐药性的出现使这种方法的疗效受到限制。HIV 病毒生活周 期历经若干个阶段，暴露出多个药物设计的靶点。近年来，阻止病毒进入宿主 细胞的 HIV 进入抑制剂引起了医药研究界的广泛关注。其中，T-20(又名 Fuzeon)已经在 2003 年由 FDA 批准用于临床治疗。计算机辅助药物设计(CADD) 作为一个迅速发展的新领域，能够结合最新的数据和技术，提供多种方法及途 径，以满足药物研发的需求。CADD 的应用目前已经贯穿药物研发的全过程，为 提高这一产业的生产率做出了巨大贡献。计算方法的使用不仅实现了高效的药 物开发和先导化合物优化过程，而且能为研究药物与靶标的相互作用提供重要 信息。本文结合 CADD 方法，对以 HIV-1 gp41 与 CCR5 为靶点的药物设计进行了 研究。主要内容如下： (1)HIV-1 跨膜蛋白 gp41 与抑制剂 NB-2 和 NB-64 的 结合模式研究。NB-2 和 NB-64 是最近发现的两种氮-取代吡咯衍生物，能够干 预 HIV-1 gp41 六螺旋结构的形成从而抑制病毒与细胞的膜融合过程。揭示这两 个抑制剂与 gp41 的结合模式可以为设计 HIV-1 融合抑制剂提供重要信息。采用 分子对接，分子动力学(MD)模拟和 MM-PBSA/MM-GBSA 分析方法预测 NB-2 和 NB- 64 与 gp41 疏水口袋的结合模式与作用机理。分子对接采用多种受体构象，并 从结果中选取几种可能的结合模式进行 MD 模拟，然后通过 MM-PBSA 计算结合能 的方法识别最优的结合模式。MM-PBSA 计算结果表明，范德华相互作用是结合 的主要驱动力，而极性相互作用决定了配体在结合过程中的取向。进一步的结 合能分解显示，配体的羧基与 gp41 残基 Arg579 的静电相互作用对结合有重要 贡献。本工作为进一步优化氮-取代吡咯衍生物类的 HIV-1 融合抑制剂建立了良 好的出发点。 (2)合理设计与合成新的 HIV-1 融合抑制剂。基于所预测的 NB-2 与 gp41 疏水口袋的结合模式，我们采用一种从头药物设计方法(LeapFrog)改 造 NB-2 的结构，旨在设计新型有效的 gp41 选择性抑制剂。共设计了 103 个化 合物.并用分子对接预测这些化合物的结合模式与结合能力。这些化合物具有己 知 gp41 抑制剂所没有的结构特征，并且大部分化合物的结合自由能都比 NB-2 低。利用从头设计的结果为指导，我们设计了一组新的作用于的 gp41 抑制剂， 并已合成和测定了其中七个。在体外实验中，这七个新化合物能够一定程度地 抑制 gp41 六螺旋结构的形成。目前其它化合物的合成还在进行，有望得到具有 较高活性的化合物，以用作先导化合物，进行进一步研究。 (3)吡咯烷类 CCR5 拮抗剂的三维定量构效关系分析。为研究 CCR5 拮抗剂的结构-功能关系， 我们选用一系列 1，3，4-取代的吡咯烷类 CCR5 拮抗剂构建 CoMFA(比较分子立 场分析)模型。从中挑选 72 个结构和活性有较大差异的化合物作为训练集分子 用于 CoMFA 模型的构建。首先用两种叠合规则将这些分子进行叠合：公共结构 叠合和力场叠合。然后用偏最小二乘回归法(PLS)对这两组叠合结果进行分析， 分别构建 CoMFA 模型。对这两种模型采用区域聚焦方法消除噪音，得到另两个模型。选用另外 39 个此类化合物作为测试集对所购建的四个模型进行测试。公 共结构叠合方法经区域聚焦后得到的 CoMFA 模型显示出最好的统计特性和预测 能力：常规相关系数 r2=0.952，交叉验证系数 q2=0.637，测试集进行活性预测 的相关度为 R=0.785。该模型的等高线图将这些拮抗剂与 CCR5 结合的关键的立 体和静电特征可视化，模拟显示出可能的受体.配体相互作用。本工作能够为这 类 CCR5 拮抗剂的结构改造提供有用线索。 自 1981 年 6 月世界发现首例艾滋病患者至今，已有 2500 万人死于由 HIV 病毒 引起的疾病。2000 年以来，尽管全球范围内的艾滋病传播已基本稳定，但每年 仍有极高的 HIV 感染率和 AIDS 死亡率。联合国艾滋病报告显示，2007 年全世 界有大约 3300 万 HIV 感染者，约 200 万人死于艾滋病1。历经 20 多年的研究， HIV 病毒仍然是疫苗研发的难点，因此目前的艾滋病治疗主要依赖于抗 HIV 化 学药剂的研究。高效抗逆转录病毒疗法(鸡尾酒疗法，HAART)联合使用几种抗 HIV 药物(通常为 34 种)，已经在临床治疗中取得了极大成功。但是长期使用 的毒副作用和耐药性的出现使这种方法的疗效受到限制。HIV 病毒生活周期历 经若干个阶段，暴露出多个药物设计的靶点。近年来，阻止病毒进入宿主细胞 的 HIV 进入抑制剂引起了医药研究界的广泛关注。其中，T-20(又名 Fuzeon)已 经在 2003 年由 FDA 批准用于临床治疗。计算机辅助药物设计(CADD)作为一个迅 速发展的新领域，能够结合最新的数据和技术，提供多种方法及途径，以满足 药物研发的需求。CADD 的应用目前已经贯穿药物研发的全过程，为提高这一产 业的生产率做出了巨大贡献。计算方法的使用不仅实现了高效的药物开发和先 导化合物优化过程，而且能为研究药物与靶标的相互作用提供重要信息。本文 结合 CADD 方法，对以 HIV-1 gp41 与 CCR5 为靶点的药物设计进行了研究。主要 内容如下： (1)HIV-1 跨膜蛋白 gp41 与抑制剂 NB-2 和 NB-64 的结合模式研 究。NB-2 和 NB-64 是最近发现的两种氮-取代吡咯衍生物，能够干预 HIV-1 gp41 六螺旋结构的形成从而抑制病毒与细胞的膜融合过程。揭示这两个抑制剂 与 gp41 的结合模式可以为设计 HIV-1 融合抑制剂提供重要信息。采用分子对接， 分子动力学(MD)模拟和 MM-PBSA/MM-GBSA 分析方法预测 NB-2 和 NB-64 与 gp41 疏水口袋的结合模式与作用机理。分子对接采用多种受体构象，并从结果中选 取几种可能的结合模式进行 MD 模拟，然后通过 MM-PBSA 计算结合能的方法识别 最优的结合模式。MM-PBSA