本文關(guān)鍵詞：自由能計算方法在耐藥性機(jī)制分析和遺傳病治療中的應(yīng)用

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【摘要】：化學(xué)藥物在疾病的治療中起到了關(guān)鍵的作用,但部分化學(xué)藥物的重復(fù)使用會最終導(dǎo)致其藥效的下降甚至失活,主要原因是靶蛋白對藥物產(chǎn)生了抗性或耐受性。耐藥性經(jīng)常由靶蛋白的次級突變所引起,其宏觀現(xiàn)象通常表現(xiàn)為抑制劑與突變靶標(biāo)結(jié)合能力下降。如何正確理解耐藥性產(chǎn)生的分子機(jī)制,進(jìn)而為抗耐藥性藥物的發(fā)現(xiàn)和設(shè)計提供可靠依據(jù)已成為當(dāng)今藥物研發(fā)領(lǐng)域亟待解決的難題。通過X射線衍射和核磁共振技術(shù)可以得到蛋白質(zhì)-配體復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu),從而獲悉配體與靶點(diǎn)的相互作用模式。但是當(dāng)有眾多藥物和眾多耐藥突變蛋白時,我們很難通過實(shí)驗(yàn)方法獲得突變體復(fù)合物的所有晶體結(jié)構(gòu)。隨著理論方法的發(fā)展和計算設(shè)備性能的不斷提升,分子模擬技術(shù)已成為耐藥性機(jī)制研究不可或缺的工具。本論文擬從自由能計算的角度揭示藥物耐藥性產(chǎn)生的分子機(jī)制,并對由“獲得功能性”(gain of function)和“喪失功能性”(loss of function)突變引起的遺傳病的治療提出化學(xué)藥物的治療策略。由于目前自由能計算的方法眾多,精度不同,而且在很大程度上存在體系特異性,因此在耐藥性機(jī)制研究之前,我們首先對應(yīng)用最為廣泛的兩點(diǎn)式自由能計算方法(MM/PB(GB)SA)做了整體的精度評估,并提出提高預(yù)測精度的計算策略。隨后,我們提出基于分子對接和MM/PB(GB)SA重打分的計算策略,計算結(jié)果表明,MM/GBSA重打分可有效提高傳統(tǒng)分子對接的預(yù)測精度,此策略適用于沒有晶體結(jié)構(gòu)體系的耐藥性分析。我們將MM/GBSA方法用于兩個體系(crizotinib-ALK和crizotinib-ROS1)的耐藥性機(jī)制研究。對于ALK體系,MM/GBSA自由能計算表明,耐藥性突變L1152R和G1202R會嚴(yán)重影響體系構(gòu)象熵的變化,而且所研究的3個耐藥性突變(L1152R、G1202R、S1206Y)都會影響藥物-靶標(biāo)間氫鍵的變化。此外,我們還通過加強(qiáng)采樣的自由能計算(ABF)表征了crizotinib從野生型及突變型ALK中的解離路徑。研究表明,G1202R和S1206Y會阻礙crizotinib與ALK中結(jié)合通道的結(jié)合,因而導(dǎo)致crizotinib的結(jié)合通路耐藥性。對于ROS1體系,我們使用了更為先進(jìn)的加強(qiáng)采樣自由能算法(funnel-based metadynamics和absolute binding free energy calculation based on umbrella sampling)表征了crizotinib對ROS1激酶結(jié)合/解離過程的二維勢能面。發(fā)現(xiàn)與野生型ROS1激酶相比,G2032R突變體中P-loop區(qū)域的開口幅度更大,其直接導(dǎo)致crizotinib在突變型ROS1結(jié)合口袋中的保留時間(residence time)顯著下降,因而導(dǎo)致強(qiáng)烈的耐藥性。最后,我們分析了遺傳病相關(guān)的靶標(biāo)突變對小分子結(jié)合的影響,并提出了化學(xué)藥物治療遺傳病的治療策略。其原理在于“獲得功能性”或“喪失功能性”遺傳病的治療可以通過使用其對應(yīng)靶點(diǎn)的拮抗劑(antagonist)或激動劑(agonist)來抑制或激活其功能。然而,這種化學(xué)療法必須滿足一個前提,即這些“獲得功能性”或“喪失功能性”的靶標(biāo)突變并不會對化學(xué)藥物的結(jié)合產(chǎn)生不良影響。因此我們利用分子對接和MM/GBSA自由能重打分的方法評測了已知成功藥物靶標(biāo)的遺傳病相關(guān)突變位點(diǎn)對上市藥物結(jié)合能力的影響。研究發(fā)現(xiàn),在多數(shù)情況下這些疾病相關(guān)突變位點(diǎn)并不會對藥物的結(jié)合產(chǎn)生不良影響。與此同時,我們也注意到在我們所統(tǒng)計數(shù)據(jù)中已有20~50%的化學(xué)藥物已在不同種類的遺傳病中得到試驗(yàn)和應(yīng)用,因此以上分析支持使用化學(xué)藥物對遺傳疾病進(jìn)行治療的策略。
【關(guān)鍵詞】：耐藥性 突變位點(diǎn) 遺傳病 分子對接 結(jié)合自由能計算 分子動力學(xué)模擬 加強(qiáng)采樣動力學(xué)模擬 傘形采樣 亞動力學(xué) 適配性偏向力 MM/GBSA MM/PBSA
【學(xué)位授予單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：R596
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 緒論12-31
• 1.1 耐藥性的產(chǎn)生機(jī)制及分析方法12-16
• 1.1.1 耐藥性產(chǎn)生途徑及檢測手段12-13
• 1.1.2 基于統(tǒng)計分析和機(jī)器學(xué)習(xí)的耐藥性預(yù)測研究13-14
• 1.1.3 基于結(jié)合自由能計算的耐藥性機(jī)制研究14-16
• 1.2 結(jié)合自由能計算方法概述16-19
• 1.3 研究意義19
• 1.4 研究內(nèi)容及章節(jié)安排19-21
• 參考文獻(xiàn)21-31
• 第二章 基于PDBbind數(shù)據(jù)集的MM/PB(GB)SA總體精度評估31-54
• 2.1 引言31-33
• 2.2 材料與方法33-35
• 2.2.1 數(shù)據(jù)集準(zhǔn)備及模擬體系搭建33
• 2.2.2 分子動力學(xué)模擬（MD）33-34
• 2.2.3 自由能計算34
• 2.2.4 精度評估34-35
• 2.3 結(jié)果與討論35-46
• 2.3.1 MM/PB(GB)SA總體預(yù)測精度匯總35-37
• 2.3.2 小分子電荷對MM/PB(GB)SA預(yù)測精度的影響37-40
• 2.3.3 MM/PB(GB)SA對不同蛋白靶標(biāo)折疊類型的預(yù)測精度40-46
• 2.4 本章小結(jié)46-47
• 參考文獻(xiàn)47-54
• 第三章 MMPB(GB)SA在分子對接后處理中的應(yīng)用54-78
• 3.1 引言54-55
• 3.2 材料與方法55-58
• 3.2.1 數(shù)據(jù)集準(zhǔn)備55
• 3.2.2 分子對接55-56
• 3.2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化和MD模擬56-57
• 3.2.4 MM/PB(GB)SA重打分57
• 3.2.5 統(tǒng)計分析57-58
• 3.3 結(jié)果與討論58-70
• 3.3.1 溶質(zhì)介電常數(shù)對MM/PB(GB)SA重打分的影響58-61
• 3.3.2 分子對接構(gòu)象對MM/PB(GB)SA重打分的影響61-64
• 3.3.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化和MD模擬對MM/PB(GB)SA重打分富集度的影響64-68
• 3.3.4 MM/PB(GB)SA重打分提高分子對接精度的機(jī)制分析68-70
• 3.4 本章小結(jié)70-71
• 參考文獻(xiàn)71-78
• 第四章 自由能計算揭示crizotinib在ALK突變體中的耐藥性機(jī)理78-110
• 4.1 引言78-79
• 4.2 材料與方法79-84
• 4.2.1 體系處理79-80
• 4.2.2 常規(guī)分子動力學(xué)模擬80
• 4.2.3 加強(qiáng)采樣動力學(xué)模擬80-83
• 4.2.4 兩點(diǎn)式自由能計算和能量分解83-84
• 4.2.5 主成分分析（PCA）84
• 4.2.6 構(gòu)象熵分析84
• 4.3 結(jié)果與討論84-102
• 4.3.1 一維勢能譜揭示crizotinib解離路徑差異84-93
• 4.3.2 crizotinib結(jié)合自由能在不同模擬策略中的比較93-96
• 4.3.3 殘基分解和構(gòu)象熵分析揭示crizotinib耐藥性機(jī)理96-102
• 4.4 本章小結(jié)102-103
• 參考文獻(xiàn)103-110
• 第五章 G2032R突變介導(dǎo)的ROS1酪氨酸激酶對crizotinib的耐藥性機(jī)理研究 .. 995.1 引言110-139
• 5.1 引言110-111
• 5.2 材料與方法111-117
• 5.2.1 體系準(zhǔn)備111
• 5.2.2 MD模擬111-112
• 5.2.3 亞動力學(xué)模擬和絕對自由能計算112-114
• 5.2.4 傘形采樣模擬和絕對自由能計算114-117
• 5.3 結(jié)果與討論117-127
• 5.3.1 普通分子動力學(xué)模擬中結(jié)合態(tài)和非結(jié)合態(tài)ROS1激酶構(gòu)象變化117-120
• 5.3.2 二維勢能面表征crizotinib在ROS1中解離途徑120-124
• 5.3.3 一維絕對自由能計算驗(yàn)證并揭示crizotinib耐藥性機(jī)理124-127
• 5.4 本章小結(jié)127
• 參考文獻(xiàn)127-139
• 第六章自由能計算在遺傳病化學(xué)藥物發(fā)現(xiàn)中的應(yīng)用139-168
• 6.1 引言139-140
• 6.2 材料與方法140-143
• 6.2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備140-141
• 6.2.2 分子對接141
• 6.2.3 MD模擬141-142
• 6.2.4 結(jié)合自由能計算142-143
• 6.3 結(jié)果與討論143-156
• 6.3.1 SNP位點(diǎn)在成功藥物靶標(biāo)中分布模式分析143-145
• 6.3.2 藥物靶標(biāo)中靠近靶標(biāo)結(jié)合.袋突變對藥物結(jié)合的影響145-150
• 6.3.3 化學(xué)藥物在遺傳病治療中的應(yīng)用150-156
• 6.4 本章小結(jié)156-157
• 參考文獻(xiàn)157-168
• 攻讀學(xué)位期間本人出版或公開發(fā)表的論著、論文168-171
• 致謝171-172

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7 劉e，

本文編號：861563