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用分子模拟方法研究HIV-1 TAR RNA与环肽抑制剂及相关蛋白质的识别和相互作用

作　者: 左志成
导　师: 李春华
学　校: 北京工业大学
专　业: 生物物理学
关键词: 分子动力学模拟分子对接 HIV-1 TAR RNA 环肽 CycT1-Tat-TAR三元复合物
分类号: R512.91
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

蛋白质-RNA相互作用对细胞功能的调控及病毒的复制至关重要。因此，有关二者识别机理的研究已经成为当今生命科学领域的研究热点。许多常规的生物化学、生物物理等实验手段被用于蛋白质-RNA相互作用的研究；同时，理论方法研究也提供了大量有意义的信息。分子对接（Molecular Docking）与分子动力学（Molecular Dynamics, MD）模拟等分子模拟方法在阐明和预测生物大分子结构-功能关系方面已经取得了广泛而成功的应用。人类免疫缺陷病毒（Human Immunodeficiency Virus，HIV）编码的反式激活因子（Trans-activator, Tat）蛋白与宿主细胞内正转录延伸因子b（PositiveTranscription Elongation Factor b, P-TEFb）亚基CycT1结合，随后募集P-TEFb到病毒转录本5’端的反式激活响应元件（Trans-activation Response, TAR）RNA上。活化的P-TEFb通过另一个亚基CDK9过磷酸化RNA聚合酶II（RNAPolymerase II,RNA Pol II）的C-端结构域（C-terminal Domain, CTD），RNA Pol II因此被激活，大大促进转录进程。因此，干扰复合物P-TEFb-Tat-TAR的形成一直被视为抗HIV感染的一个有效策略之一。本论文主要研究内容包括以下两部分：(1)环肽类抑制剂与HIV-1TAR RNA相互作用与识别的分子模拟研究该工作选取了两个具有高抑制活性的环肽分子L-22和KP-Z-41，运用MD模拟方法研究了它们与HIV-1TAR RNA相互作用的细节。结果发现，两环肽与TAR在膨突（bulge）附近具有非常相似的结构模式，但在TAR顶环（apical loop）处的结合界面差异较大。根据主成分分析发现，TAR在结合环肽后，其区域间固有的扭转运动受到显著约束，这可能是环肽具有高效抑制活性的根源之一。与L-22/TAR相比，静电相互作用能更加有利于KP-Z-41/TAR复合物的形成，这在很大程度上归功于KP-Z-41的P-端残基Arg1和Arg15对结合自由能的贡献。此外，基于模拟结果与已有实验信息，识别出环肽上的一保守基序RRK，该基序对这类环肽抑制剂高亲和性、特异性识别TAR发挥着重要作用。该研究可为今后基于Tat蛋白的拟肽类抗HIV抑制剂的优化和改造提供有意义的指导。(2)人类hCycT1-hTat-hTAR三元复合物的结构模建及其动力学模拟当前用于阻断hCycT1-hTat-hTAR复合物形成的化合物基本上都属于Tat-TAR相互作用抑制剂。至今为止，hCycT1-hTat-hTAR三元复合物的三维结构尚没有确定，这阻碍了针对该复合物上其它潜在靶点的新药开发。在本工作中，首先通过同源模建和结构叠合方法构建出hCycT1-hTat异二聚体结构；然后运用分子对接方法，并结合聚类分析和实验信息，得到了该二聚体与hTAR较为合理的复合物结构；最后借助MD模拟对筛选得到的复合物结合模式进行了修正。优化后的复合物结构中的相互作用与实验研究吻合。该研究预测出的hCycT1-hTat-hTAR结构模型可为今后以转录延伸激活复合物结构为靶标的抑制剂设计提供一定帮助。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-18
  1.1 蛋白质-RNA 相互作用的研究意义及研究方法  10-11
    1.1.1 研究意义  10
    1.1.2 研究方法  10-11
  1.2 HIV-1 Tat 和 TAR RNA 相互作用抑制剂的研究进展  11-13
    1.2.1 研究意义  11-12
    1.2.2 研究现状及进展  12-13
  1.3 CycT1-Tat-TAR 结构与功能关系的研究进展  13-18
    1.3.1 研究意义  13-14
    1.3.2 研究现状及进展  14-18
第2章两种重要的分子模拟方法  18-30
  2.1 分子动力学模拟  18-24
    2.1.1 基本原理  18-22
    2.1.2 基本步骤  22-23
    2.1.3 常用分子动力学模拟软件简介  23-24
  2.2 分子对接  24-30
    2.2.1 基本原理  25
    2.2.2 搜索算法  25-26
    2.2.3 打分函数  26-27
    2.2.4 常用分子对接软件简介  27-30
第3章环肽类抑制剂与HIV-1 TAR RNA相互作用与识别的分子模拟研究  30-50
  3.1 引言  30-32
  3.2 材料与方法  32-33
    3.2.1 研究体系选取与分子动力学模拟  32
    3.2.2 主成分分析  32-33
    3.2.3 结合自由能与能量分解  33
  3.3 结果与讨论  33-48
    3.3.1 结构稳定性与构象柔性  33-36
    3.3.2 氢键形成  36-40
    3.3.3 环肽-RNA结合界面  40-41
    3.3.4 受体RNA运动模式  41-43
    3.3.5 结合自由能计算与残基能量分解  43-46
    3.3.6 RRK基序在环肽-TAR识别中的作用  46-48
  3.4 本章小结  48-50
第4章人类CycT1-Tat-TAR三元复合物结构模建及其动力学模拟  50-60
  4.1 引言  50-51
  4.2 体系与方法  51-53
    4.2.1 体系准备  51
    4.2.2 分子对接  51-52
    4.2.3 分子动力学模拟  52-53
  4.3 结果与讨论  53-58
    4.3.1 构建策略及依据  53-55
    4.3.2 分子动力学优化及结构合理性分析  55-58
  4.4 本章小结  58-60
结论  60-62
参考文献  62-72
附录  72-77
攻读硕士学位期间所发表的学术论文  77-79
攻读硕士学位期间所获得的科研成果  79-81
致谢  81

用分子模拟方法研究HIV-1 TAR RNA与环肽抑制剂及相关蛋白质的识别和相互作用

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