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SARS冠状病毒主蛋白酶和S蛋白的结构与功能研究及其抑制剂的设计

作　者: 郑柯文
导　师: 俞庆森
学　校: 浙江大学
专　业: 物理化学
关键词: SARS冠状病毒主蛋白酶同源模建单体二聚体静电作用疏水作用分子动力学模拟药效基团对接(Dock) MDL数据库 S蛋白受体疫苗
分类号: R373
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

传染性非典型肺炎(Severe Acute Respiratory Syndrome,SARS)自爆发以来给全世界尤其是中国带来了重大的人身伤害和经济破坏,本课题组及时发挥本组在药物设计方面的多年经验积累,在抗SARS药物设计以及免疫方面开展了积极而有成效的研究,其主要内容由以下几部分工作组成: 1、SARS病毒基因组主要编码的蛋白质有RNA聚合酶蛋白(聚合酶1a,1b),S蛋白(spike protein),E蛋白(small membrane protein),N蛋白(nucleocapsid protein),主蛋白酶(3C-like proteinase)等。其中,主蛋白酶以其在SARS病毒复制的过程中所起的重要作用而成为研究的热点。我们利用先进的生物信息学分析软件从已知结构的蛋白质数据库(PDB)中搜寻到猪冠状病毒(TGEV)和人感冒冠状病毒(HCoV)主蛋白酶与SARS病毒主蛋白酶序列具有很高相似性。基于此基础,以TGEV的主蛋白酶三维晶体结构为模板来同源模建了SARS冠状病毒的主蛋白酶三维结构,分析了其结构和活性位点特征。 2、由于实验测得TGEV和HCoV主蛋白酶在溶液中均有二聚体的形式存在,并且可能在发挥蛋白酶生物活性方面具有重要作用,因此,我们初步推测SARS病毒主蛋白酶在体内也具有二聚体的存在。参考TGEV和HCoV主蛋白酶二聚体形式,首先搭建了SARS病毒主蛋白酶的二聚体。研究发现,三种蛋白二聚体界面处的静电分布具有明显的互补性,三种蛋白酶二聚体单体之间具有相同的静电和疏水相互作用能。表明SARS病毒主蛋白酶在溶液中也具有二聚体的存在,这被后期的实验所证实。 3、近期有实验证实SARS病毒主蛋白酶二聚体为该蛋白酶主要生物形式,而单体不具有活性。进一步测得了该蛋白酶的二聚体晶体结构,但是其单体的结构不能测得,这也就使单体失活的原因不能知晓。因此,本文采用分子动力学模拟方法对该蛋白酶的二聚体和单体形式分别作了1.8ns的分动力学研究,来考察蛋白单体和二聚体形式构象的变化。通过该动力学模拟发现,SARS病毒主蛋白酶二聚体活性口袋具有如下三个特征:1)活性位点His41和Cys145间形成离子

全文目录

第一章 SARS病毒概述及其研究进展  12-42
  1.1 引言  12-13
  1.2 冠状病毒概述  13-20
    1.2.1 病毒总体组成特征  13-14
    1.2.2 SARS冠状病毒基因组结构特征  14-15
    1.2.3 SARS冠状病毒基因突变情况  15-17
    1.2.4 SARS冠状病毒基因组编码蛋白质的结构与功能  17-20
  1.3 SARS冠状病毒侵入宿主细胞及复制过程  20-22
  1.4 SARS冠状病毒引起急性肺损伤的可能机制  22
  1.5 干预SARS进程的可能途径  22-24
  1.6 抗SARS研究进展  24-34
    1.6.1 SARS冠状病毒主蛋白酶结构及其抑制剂的研究进展  24-30
    1.6.2 SARS冠状病毒S蛋白研究进展  30-34
  1.7 小结  34
  参考文献  34-42
第二章 SARS病毒主蛋白酶同源模建及其表面特性研究  42-69
  2.1 前言  42-43
  2.2 计算方法原理  43-47
    2.2.1 同源模建基本原理和方法  43-45
    2.2.2 同源蛋白结构预测的方法  45
    2.2.3 蛋白静电相互作用计算  45-46
    2.2.4 蛋白疏水相互作用计算  46-47
  2.3 模型建立  47-50
    2.3.1 SARS冠状病毒主蛋白酶的同源模建  47-49
    2.3.2 SARS冠状病毒主蛋白酶的二聚体模型的建立  49-50
  2.4 结果与讨论  50-62
    2.4.1 SARS冠状病毒主蛋白酶序列分析  50-52
    2.4.2 SARS冠状病毒主蛋白酶同源模建结果分析  52-53
    2.4.3 SARS冠状病毒主蛋白酶3D模型分析  53-54
    2.4.4 SARS冠状病毒主蛋白酶二聚体单体间静电相互作用分析  54-57
    2.4.5 SARS冠状病毒主蛋白酶二聚体单体间疏水相互作用分析  57-59
    2.4.6 溶液的pH值对二聚体结构稳定性的影响  59-62
  2.5 小结  62-67
  参考文献  67-69
第三章分子动力学研究SARS病毒主蛋白酶活性  69-100
  3.1 前言  69-70
  3.2 动力学模拟方法简介  70-74
    3.2.1 动力学模拟的理论基础  71-73
    3.2.2 分子动力学模拟的应用  73-74
  3.3 计算方法  74-75
    3.3.1 蛋白酶复合物的准备  74
    3.3.2 动力学力学模拟  74-75
    3.3.3 结构分析  75
  3.4 结果和讨论  75-94
    3.4.1 催化位点构象的动态变化  78-81
    3.4.2 His163和Glu166的构象特征  81-86
    3.4.3 活性口袋的构象变化  86-88
    3.4.4 二聚体中单体间相互作用力的分析  88-89
    3.4.5 N端对残基His163构象的稳定  89-92
    3.4.6 N端对残基Glu166构象的稳定  92-93
    3.4.7 N端及区域Ⅲ对蛋白酶活性口袋构象的影响  93-94
  3.5 小结  94-95
  参考文献  95-100
第四章 SARS病毒主蛋白酶抑制剂的筛选和设计  100-119
  4.1 前言  100
  4.2 分子对接的理论基础及方法  100-105
    4.2.1 分子间相互作用的热力学过程  100-101
    4.2.2 分子对接的理论基础  101-102
    4.2.3 配体受体识别过程的相互作用力  102-103
    4.2.4 分子对接方法的分类  103-104
    4.2.5 分子对接方法的应用及步骤  104-105
  4.3 虚拟筛选  105-108
    4.3.1 药效团搜索模型  105-106
    4.3.2 受体虚拟筛选模型的建立  106-107
    4.3.3 小分子化合物库的建立  107-108
    4.3.4 虚拟筛选  108
  4.4 结果与讨论  108-116
    4.4.1 结构、能量性质分析  109
    4.4.2 抗HIV病毒蛋白酶抑制剂与SARS病毒主蛋白酶结合模式  109-112
    4.4.3 虚拟筛选分子与SARS病毒主蛋白酶结合模式  112-114
    4.4.4 抗HIV病毒蛋白酶抑制剂的修饰  114-116
  4.5 小结  116-117
  参考文献  117-119
第五章 SARS病毒S蛋白的同源模建及其与功能性受体ACE2蛋白的对接研究  119-140
  5.1 前言  119-120
  5.2 蛋白与蛋白对接研究涉及的理论与方法  120-125
    5.2.1 蛋白质分子模型  120
    5.2.2 构象搜索  120-121
    5.2.3 双重过滤技术  121-122
    5.2.4 结构优化及打分方案  122-123
    5.2.5 蛋白质分子柔性的处理  123-124
    5.2.6 蛋白质对接方法  124-125
  5.3 模型建立  125-128
    5.3.1 SARS冠状病毒S蛋白的同源模建  125-128
    5.3.2 SARS病毒S蛋白与ACE2蛋白的对接  128
  5.4 结果与讨论  128-137
    5.4.1 SARS病毒S蛋白模建结果分析  128-130
    5.4.2 SARS病毒S蛋白模建结构特征分析  130-132
    5.4.3 SARS病毒S蛋白功能性受体ACE2蛋白结构分析  132-134
    5.4.4 SARS病毒S蛋白与ACE2蛋白对接模型分析  134-135
    5.4.5 SARS病毒S蛋白与ACE2蛋白相互作用分析  135-137
  5.5 小结  137
  参考文献  137-140
论文总结  140-143
发表文章  143-145
致谢  145-146

SARS冠状病毒主蛋白酶和S蛋白的结构与功能研究及其抑制剂的设计

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