Ⅰ型代谢型谷氨酸受体与别构抑制剂结合及选择性机制的计算模拟研究

摘要

代谢型谷氨酸受体（mGluRs）属于C类G-蛋白偶联受体（GPCRs），主要分布于中枢神经系统，是多种精神类及神经退行性疾病潜在的药物靶标。mGluRs共包含8个亚型（mGluR1-8），根据其序列同源性、信号传导机制及药理学特性可进一步分为3种类型：Ⅰ（mGluR1和mGluR5），Ⅱ（mGluR2和mGluR3），和Ⅲ（mGluR4， mGluR6，mGluR7和mGluR8）。　　目前，Ⅰ型mGluRs处于研究的最前沿，其多个别构抑制剂分子（NAMs）在临床前及临床研究中表现出优异的治疗效果。比如，作用于mGluR5的别构抑制剂分子dipraglurant被美国食品药品监督管理局（FDA）批准用于PD-LID的治疗。与此同时，多个mGluR5的NAMs正在或已经进行临床研究。但是，mGluR1的NAMs迄今为止没有分子进入过临床研究，而NAMs与mGluR1之间结合模式的缺失更是限制了该类药物的研究。此外，mGluR5和mGluR1同属于Ⅰ型mGluRs，二者别构位点的序列相似性高达78.5%，这为先导化合物初始设计和药物分子成功研发过程中如何优化药物与靶标之间的选择性提出了挑战。　　本论文结合多种计算模拟手段，包括分子对接、分子动力学模拟、结合自由能计算、配体-受体相互作用指纹分析和药效团模型构建等，从分子层面揭示了多个NAMs分子与mGluR5和mGluR1别构位点之间的结合模式，并深入探究NAMs在两个高保守性受体亚型间的选择性机制，旨在为针对mGluR5和mGluR1设计新型别构抑制剂提供基础，主要研究内容包括以下三个部分：　　第一部分：NAMs 与 mGluR5的结合模式研究。为了系统地研究 NAMs 与mGluR5 的结合模式，选择了 5 个不同结构的正处于临床研究中的 NAMs （mavoglurant，dipraglurant，basimglurant， STX107，fenobam）为研究对象，首先通过分子对接获得配体-受体复合物初始构象，然后进行分子动力学模拟和结合自由能预测，并通过氨基酸虚拟突变模拟的结合自由能计算值与实验值之间的相关性比对所构建的药物与靶标之间的结合模式进行验证。进一步对氨基酸残基结合自由能贡献分析，识别出mGluR5中11个氨基酸（I6252.46，I6513.36，S6543.39， P6553.40，L7445.44，W7856.50，F7886.53，M8027.32，V8067.36，S8097.39和 A8107.40）对NAMs的共性结合模式起着重要作用。　　第二部分：NAMs 与 mGluR1的结合模式研究。基于 4 个选择性的 mGluR1 NAMs（FITM，BDBM50301534，EMQMCM，JNJ16259685），通过上述方法研究了NAMs在mGluR1中的结合模式。最终发现了NAM-mGluR1体系中主要能量贡献的6个Hot Spots氨基酸残基：N7605.47，F8016.53，L7575.44，V6643.36，T8157.32，V7535.40和11个Warm Spots氨基酸残基：L6482.56，R6613.33，G6653.37，S6683.40， T748ECL2，P7565.43，I7976.49，W7986.50，I8127.29，A8187.35和V8197.36，揭示了NAMs在mGluR1中的共性结合模式以及不同活性的NAMs与mGluR1相互作用的分子机制。　　第三部分：NAMs对mGluR5和mGluR1选择性机制研究。药物的选择性是药物靶向性和安全性的基础，在药物设计领域获得广泛关注。通过对比分析上述两类别构抑制剂分子分别与mGluR5和mGluR1的结合，从相互作用的构象、能量及指纹分析三个方面深入探究了 NAMs 对受体的选择性机制。结果表明，3 对保守性氨基酸（mGluR5：L7445.44，N7475.47，W7856.50；mGluR1：L7575.44，N7605.47， W7986.50）和6对非保守性氨基酸（mGluR5：I6513.36，P6553.40，S6583.43，M8027.32， S8057.35，A8107.40；mGluR1：V6643.36，S6683.40，C6713.43，T8157.32，A8187.35，V8237.40）在NAMs对mGluR5与mGluR1的选择性中起关键作用。　　综上所述，本研究揭示了骨架结构不同的NAMs与Ⅰ型mGluRs之间的精细的结合模式，基于结合模式进一步阐明了别构抑制剂对mGluR5与mGluR1的选择性机制，为进一步设计骨架结构新颖、活性高和具有优良选择性的 NAMs 提出了一定的理论依据，希望为严重影响人类生活质量的精神类及神经退行性疾病治疗药物的研发提供新的方法及策略。

目录

缩略词列表

1 绪论

1.1.1 代谢型谷氨酸受体

1.1.2 代谢型谷氨酸受体及其别构抑制剂的研究现状

1.2.1 分子对接

1.2.2 分子动力学模拟

1.2.3 结合自由能计算

1.2.4 氨基酸残基能量贡献层次聚类分析

1.2.5 药效团模型构建

1.2.6 配体-受体相互作用指纹分析

1.3.1 研究目的

1.3.2 研究内容

2 NAMs与mGluR5的结合模式研究

2.1 引言

2.2 实验方法

2.2.1 蛋白结构准备

2.2.2 诱导契合分子对接

2.2.3 复合物体系准备

2.2.4 分子动力学模拟

2.2.5 模拟结果分析

2.2.6 氨基酸虚拟突变模拟

2.3 结果与讨论

2.3.1 NAMs与mGlu5的初始构象

2.3.2 分子动力学模拟结果

2.3.3 模型验证

2.3.4 NAMs与mGluR5相互作用分析

2.3.5 NAMs在mGluR5中的共同结合模式

2.4 本章小结

3 NAMs与mGluR1的结合模式研究

3.1 引言

3.2.1 分子对接

3.2.2 复合物体系准备

3.2.3 分子动力学模拟

3.2.4 模拟结果分析

3.2.5虚拟丙氨酸突变扫描

3.3 结果与讨论

3.3.1 NAMs与mGlu1的初始构象

3.3.2 分子动力学模拟结果

3.3.3 模型验证

3.3.4 NAMs与mGluR1相互作用分析

3.3.5 NAMs在mGluR1中的共同结合模式

3.4 本章小结

4 NAMs对Ⅰ型mGluRs的选择性机制研究

4.1 引言

4.2 实验方法

4.2.1 配体-受体相互作用指纹分析

4.3 实验结果与讨论

4.3.1 关键氨基酸残基的初步识别

4.3.2 保守性氨基酸残基与选择性

4.3.2 非保守性氨基酸残基与选择性

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

附录

A.作者在攻读学位期间发表的论文目录

B.作者在攻读学位期间参与的科研项目目录

C.作者在攻读学位期间参加的国际会议

D.作者在攻读学位期间获奖目录

E.学位论文数据集

致谢