肝纤维化新靶标BRD4蛋白抑制机制研究与虚拟筛选

摘要

在后基因组时代，基因表达中的表观遗传已然成为当前的研究热点，受到了越来越多人的重视。组蛋白的翻译后修饰，通常又叫做组蛋白密码，作为表观遗传中的重要内容之一，可以影响染色质的结构并且决定着核染色体的整体形态。能够识别组蛋白或DNA共价修饰的的表观遗传标记物被称作是“Readers”，Bromodomain(BRD,中文名亦称溴-结构域)就是这样一种能够特异性识别乙酰化组蛋白尾部的蛋白结构域。BRD普遍存在于人体的重要蛋白质中，与炎症、肿瘤、心血管等许多重要疾病的发生都息息相关。近些年来，BRD4作为BRD大家族的一员已经成为许多重大疾病一个新兴的药物靶标，肝纤维化就是其中重要的一个，BRD4蛋白主要通过调节肝星状细胞的基因表达来实现肝纤维化的逆转，越来越多有较好活性的BRD蛋白抑制剂也通过实验相继得到。但是，更为详细的BRD蛋白抑制机制尤其是抑制剂与BRD蛋白的结合动力学过程却一直不是非常明了。
　　本论文通过计算模拟和虚拟筛选的方法，探究了BRD4蛋白的抑制机制，随后从天然产物小分子库中筛选出了对BRD4蛋白打分值较高的若干化合物。
　　论文第一章主要综述了表观遗传、组蛋白的化学修饰和Bromodomain（BRD）蛋白之间的相互关系，强调了BRD在人类疾病通路中的重要作用。还介绍了BRD的分类、结构、功能以及研究BRD的具体意义所在。之后，小结了计算模拟在药物研究中应用的一些基本方法和概念，包括分子力学、量子化学计算和分子动力学等，以及虚拟筛选。
　　论文的第二章，通过运用经典的分子动力学（MD）模拟和高精度密度泛函水平下的QM/MMMD模拟，揭示了BRD4蛋白中ZA-loop的动力学特性和它与结合口袋大小的相互关系。除此以外，我们的模拟还发现了化合物（-）-JQ1在热力学上能够很好地适应BRD4结合口袋但是结合动力学上却是不可行的，它的外消旋体（+）-JQ1被证实了无论是在热力学还是结合动力学上都非常满足与BRD4蛋白结合的条件，这也合理的解释了实验上测得的（+）-JQ1对BRD4有很好抑制效果（IC50=76nM）而（-）-JQ1（IC50>10,000nM）却没有的结果。此外，ZA-loop上的Leu92、Leu94、Tyr97和BC-loop上Asn140等一些氨基酸残基被发现在（+）-JQ1的结合/释放过程中发挥了重要的作用。
　　论文第三章运用了虚拟筛选的方法，基于上述 BRD4蛋白结构与机制方面的研究，筛选了ZINC数据库中的天然产物小分子库，获得了一批打分较好的化合物结构，并且完成了这些结构对接进入BRD4蛋白后的相互作用分析，发现了ZINC03870415、ZINC39929324、ZINC85340727、ZINC77256922、ZINC03870413、ZINC03870412、ZINC96316287这几个结合模式非常好的天然产物小分子。
　　第四章将总结分析上述探究BRD4蛋白抑制机制中的一些优缺点，并对未来开展BRD蛋白选择性抑制设计进行了展望。

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第一章 前言

1.1 表观遗传和组蛋白的化学修饰

1.1.1表观遗传

1.1.2 组蛋白的化学修饰

1.2 BRD蛋白的综述

1.2.1 Bromodomain的分类

1.2.2 Bromodomain的结构

1.2.3 Bromodomain的功能

1.2.4研究BET Bromodomain的意义

1.3 计算模拟方法的概述

1.3.1 分子模拟方法

1.3.2 量子化学计算方法

1.3.3 虚拟筛选

参考文献

第二章 BET Bromodomain蛋白与小分子抑制剂JQ1相互作用的分子动力学研究

2.1 引言

2.2 材料和方法

2.2.1 分子动力学模拟

2.2.2 拉伸分子动力学（SMD）

2.2.3 聚类分析

2.2.4 QM/MM模拟

2.3 结果与讨论

2.3.1 JQ1的静态结合模式

2.3.2 JQ1的结合/释放动力学过程

2.4 本章小结

第三章基于BET Bromodomain蛋白的虚拟筛选

3.1 引言

3.1.1 计算机辅助药物设计与虚拟筛选

3.1.2 BRD4蛋白抗肿瘤作用研究

3.1.3 小分子化合物库

3.2 材料与方法

3.2.1 获取及准备小分子化合物

3.2.2 靶标的选择及处理

3.2.3 富集率测试

3.2.4 分子对接

3.3 结果与讨论

3.3.1 小分子库的筛选结果

3.3.2 结合模式分析

3.4 本章小结

参考文献

第四章 全文总结及展望

攻读硕士期间的科研成果

致谢