多藥轉運體PfMATE工作機制的分子模擬研究.pdf

1、多藥及毒性化合物外排（Multidrugand toxic compound extrusion，MATE）轉運體家族通過細胞內先前存在的H+或者 Na+離子梯度將內源性陽離子（endogenous cationic）、親脂性的物質（lipophilic substances）和異型生物質（xenobiotic）驅逐出細胞膜。在腫瘤細胞當中，MATE轉運體會排出多種結構以及物理化學性質不同的藥物分子。基于這種機制，MATE轉運體會引起細

2、菌病原體和腫瘤細胞的多藥耐藥（multiple-drug resistance，MDR），極大地降低了抗腫瘤藥物和抗生素藥物對細菌病原體和腫瘤細胞的臨床治療功效。因此，MATE轉運體作為一個非常重要的抑制多藥耐藥的藥物作用靶點，已經引起了廣泛的關注，對能夠抑制MATE轉運體功能的抑制劑的尋找和研發(fā)已經非常迫切。然而，由于對 MATE轉運體在分子水平上的工作機制知之甚少，因此，MATE轉運體抑制劑的研發(fā)還沒有取得重大的進展。在本論文中，我

3、們通過分子動力學模擬（Molecular Dynamics simulation）的方法探索了來自強烈火球菌（Pyrococcus furiosus）中的PfMATE轉運體的工作機制、活性調節(jié)機制、環(huán)肽抑制劑（macrocyclic peptides inhibitors）對PfMATE轉運體的抑制機理以及環(huán)肽抑制劑與PfMATE轉運體之間的相互作用模式。
　　本論文第一部分主要研究了在天冬氨酸 Asp41不同的質子化狀態(tài)下。Pf

4、MATE轉運體的構象調節(jié)機制。首先，分子動力學模擬的結果表明PfMATE轉運體的構象變化主要發(fā)生在胞外域。其次,在 Asp41不同的質子化狀態(tài)下。PfMATE經歷了不同的構象調節(jié)模式并且形成了不同的構象。在質子化狀態(tài)下。PfMATE轉運體經歷了張開運動并且傾向于形成更加朝外張開的構象。在去質子化狀態(tài)下，PfMATE轉運體在分子動力學模擬過程中只存在以轉運通道為軸的逆時針旋轉運動，而在質子化狀態(tài)下出現(xiàn)的更加朝外張開的構象并沒有出現(xiàn)。該工作

5、在原子水平上描述了在Asp41結合質子時PfMATE轉運體的構象調節(jié)機制，有助于我們深入理解PfMATE轉運體的工作機制。
　　本論文第二部分主要研究了 PfMATE轉運體的活性調節(jié)機制。通過分子模擬方法分析在野生型和M173A/N180A/M206A突變狀態(tài)下PfMATE轉運體的構象調節(jié)機制，解釋 PfMATE轉運蛋白的活性調節(jié)機制。首先，主成分分析和運動式分析表明與在野生型狀態(tài)下相比，在 M173A/N180A/M206A突變

6、狀態(tài)下PfMATE轉運蛋白在分子動力學模擬過程中經歷了不同的構象，表明這些突變影響了 PfMATE轉運體的運動方式。其次，動態(tài)網絡分析和動態(tài)相關性矩陣分析表明三個單點突變M173A/N180A/M206A破壞了PfMATE轉運蛋白正常的構象調節(jié)方式，擾亂了 PfMATE轉運體正常的構象調節(jié)路徑。本工作關于 PfMATE轉運體活性調節(jié)機制的研究對能夠抑制 PfMATE轉運體轉運活性的抑制劑的設計提供了很有價值的線索。
　　本論文第三

7、部分主要研究了環(huán)肽抑制劑MaD5對PfMATE轉運體的抑制機理。首先，我們疊合了原蛋白體系和抑制劑結合體系在分子動力學模擬過程中的代表性結構,疊合結果從理論上驗證了環(huán)肽抑制劑MaD5對PfMATE轉運體的抑制活性。其次，構象分析和動態(tài)網絡分析表明環(huán)肽抑制劑MaD5阻斷了PfMATE轉運體正常的構象調節(jié)路徑。最后，結合能計算結果表明環(huán)肽抑制劑MaD5的環(huán)狀頭部和位于 PfMATE轉運體 N端的結合口袋之間的相互作用是環(huán)肽抑制劑MaD5和

8、PfMATE轉運體有很強結合能力的主要原因。該工作在理論上解釋了MaD5的抑制機理，對設計和篩選出更具潛力的環(huán)肽抑制劑有重要的意義。
　　本論文的第四部分研究了環(huán)肽抑制劑與PfMATE轉運蛋白的相互作用模式?；诜肿觿恿W模擬、結合自由能計算、殘基能量分解等方法，我們對環(huán)肽抑制劑和 PfMATE轉運體的相互作用機制提出了新的認識。能量計算結果表明PfMATE轉運體活性位點的極性氨基酸在結合環(huán)肽抑制劑時扮演著關鍵的作用，而氫鍵相互作

9、用和靜電相互作用是這些極性氨基酸和環(huán)肽抑制劑分子之間的關鍵相互作用。其中PfMATE轉運體的Gln34和Arg284與環(huán)肽抑制劑分子尤其是MaD5分子之間有很強的靜電相互作用。另外，PfMATE轉運體活性位點的疏水性殘基在結合環(huán)肽抑制劑時也起到比較重要的作用。值得注意的是在本工作中我們從理論上提出了一個與 PfMATE轉運體結合能力更強的環(huán)肽抑制劑的骨架，同時指出PfMATE轉運體蛋白的Gln34和Arg284是在進行骨架設計時需要關鍵