HIV-1蛋白酶新型抑制剂的分子动力学研究

摘要

获得性免疫缺陷综合征(Acquired Immune Deficiency Syndrome,AIDS)是由跨种属传播的人类免疫缺陷病毒(Human Immunodeficiency Virus,HIV)感染人类引起的,人类免疫缺陷病毒属于逆转录病毒科慢病毒属,它分为I型和II型,两型之下又分别有许多亚型,感染人类的主要是I型。蛋白酶(HIV-1protease)是艾滋病病毒生命过程必需的一种酶,蛋白酶抑制剂作为高效抗逆转录病毒疗法(HAART,俗称鸡尾酒疗法)的重要组成部分已经在帮助艾滋病人存活方面发挥了很大作用。美国食品药物管理局(FoodandDrugAdministration,FDA)目前批准的十种蛋白酶药物都是以活性位(activesite)为靶标进行抑制的。但是,艾滋病毒已进化出对现有药物具有耐药性的变异形式,美国多于10%的新艾滋病例是由病毒的耐药株引起的,因此设计新机制的蛋白酶药物迫在眉睫。A.Perryman等人近来发现了HIV-1蛋白酶上两个在活性位之外的新结合位点(allostericbindingsites,异位结合位点),Exo位和Outside/topofflap位,以及结合在这两个异位结合位点上的化合物,2-甲基环己醇(4DX)和6-吲哚甲酸,它们既能结合到新位点又能稳定活性位抑制剂的构象,虽然尚未表现出抑制作用,但可以成为开发针对耐药性艾滋病病毒新药的出发点。这一发现奠定了开发新一类抗艾滋病毒药物的基础,沿此路线设计的新药可以加强现有疗法的疗效,治疗这种疾病的耐药类型,减慢病毒耐药性进化。 分子动力学(MolecularDynamics,MD)模拟是一种可以提供详细微观原子尺度信息的方法,它广泛应用于化学、生物医学、材料科学等领域。它通过数值求解运动方程可以得到体系中各原子运动随时间变化的动态细节和体系的热力学性质,是理解蛋白质-配体复合物的有力工具。 计算机的图形处理器(GraphicsProcessUnit,GPU)最初设计用来渲染计算机图像,但目前GPU已经越来越广泛应用于科学计算、工程、金融等领域。其中英伟达公司(NVIDIAcorporation)基于统一计算架构(ComputeUnifiedDeviceArchitecture,CUDA)的GPU已经在为Amber分子动力学模拟程序加速,CUDA是一种并行计算架构。目前,计算已经从CPU中央处理走向了CPU与GPU协同处理的发展方向。GPU的这种大规模并行计算新方法通过芯片内成百上千个处理器核心的通信协作,以最高可超过传统方法百倍的速度解决复杂耗时的分子动力学计算问题。 本研究采用Amberff12SB力场在NVIDIACUDAGPU上对HIV-1蛋白酶的活性位抑制剂体系和异位抑制剂体系分别进行了200纳秒的长时间分子动力学模拟,发现了2-甲基环己醇除Exo位外的新结合位,分析了它们的结合过程,用MM-PBSA方法分别计算不同结合情况下两体系活性位点抑制剂TL-3与HIV-1蛋白酶的结合自由能。2-甲基环己醇的羟基和附着位点残基形成氢键,其甲基环己基和附着位点残基形成疏水性结合。异位抑制剂体系中分子片段2-甲基环己醇结合在Exo位,有利于抑制剂被束缚在活性位点附近。异位抑制剂体系中抑制剂TL-3与蛋白酶的结合自由能为-82.41kcal/mol(4DX结合在Exo位)和-84.93kcal/mol(4DX结合在Bexo位),活性位抑制剂体系中为-68.47kcal/mol。这些结果有助于深入了解HIV-1蛋白酶的动力学过程,为设计新型强效抑制剂提供了新见解。

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第一章 综述

1.1 HIV和AIDS背景

1.2 HIV结构

1.3 HIV-1的复制过程

1.4 HIV-1蛋白酶

第二章计算机辅助分子设计

2.1 基本概念

2.2 配体-受体相互作用

第三章分子模拟方法

3.1 系统的描述

3.2 基本相互作用（Fundamental Forces）

3.3 动力学方程

3.4 量子力学方法

3.5 力场方法（分子力学）

3.6 分子动力学

3.7 运动微分方程的积分算法

3.8 分子动力学模拟步骤

3.9 结合自由能

第四章 HIV-1蛋白酶异位抑制剂体系的动力学结果分析

4.1 分子动力学计算过程

4.2 两体系分子动力学行为分析

4.3 两体系RMSD分析

4.4 两体系HIV-1蛋白酶残基B因子分析

4.5 异位抑制剂体系4DX结合Exo位时对flap的影响

4.6 两体系结合自由能分析

4.7 小结

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢