基于巨噬细胞移动抑制因子的药物设计和分子模拟研究

【摘要】巨噬细胞移动抑制因子（Macrophagemigrationinhibitoryfactor，MIF）是一种重要的多功能蛋白质，既具有细胞因子的作用，又具有酶的作用。作为细胞因子，MIF是炎症效应的一种重要调节剂，又是先天性免疫响应的主要上游介导剂；在免疫体系中，MIF对糖皮质激素具有重要的反向调节作用。大量的研究表明，MIF直接影响正常细胞的分裂和瘤基因诱导的恶性转化，或间接通过调节机体免疫反应，促进细胞增殖和迁移以及促进血管增生等。此外，MIF具有酶的活性，可以催化D-多巴色素、苯丙酮酸的互变异构化及硫醇蛋白的氧化还原反应。由于涉及到多种免疫、炎症以及肿瘤等疾病的发生和发展的多个方面，MIF已经成为抗炎和抗肿瘤药物研发的重要靶点。目前针对MIF的治疗策略主要是靶向其互变异构酶活性中心发展小分子抑制剂，但目前已报道的MIF抑制剂普遍活性较低，至今还没有靶向MIF的小分子抑制剂成为上市药物。此外，与MIF相关的病理生物学功能，MIF酶活性与细胞因子活性及其他功能之间的关系，MIF生物多样性相关的复杂信号传导机制，MIF与其跨膜受体CD74和功能受体CXCR之间的相互作用以及相关的生物学功能还不完全清楚。本论文首先采用分子对接、分子动力学模拟、MM/GBSA结合自由能计算和自由能分解的方法，从原子水平研究了MIF与一系列酚腙类抑制剂的结合模式，探讨了MIF在与抑制剂结合过程中构象的动态变化，并分析了MIF重要氨基酸残基及抑制剂的不同取代基对抑制剂结合的作用。基于分子模拟提供的信息，我们设计了一系列候选抑制剂分子；根据理论预测的结果，其中3个化合物和MIF具有较强的结合能力，可能是更优的MIF抑制剂。为了寻找全新结构的MIF抑制剂分子，基于MIF的的晶体结构，采用Glide分子对接方法对包含超过100万个化合物的ChemBridge和Specs两个化合物数据库进行了虚拟筛选。经过REOS规则过滤以及基于分子指纹的聚类分析之后，最终购买了150个化合物并进行D-多巴色素互变异构酶活性实验。实验结果显示，10个化合物具有微摩级别的抑制活性，3个化合物的抑制活性在10μM以下，其中一个化合物的抑制活性甚至在纳摩尺度（IC50=550nM）。趋化实验、酶联免疫吸附实验和细胞活性实验，表明这3个化合物也可以在体外抑制MIF的生物活性，表明MIF的互变异构酶活性和生物活性之间具有较强的相关性，这些结构新颖的活性分子有望成为治疗炎症疾病的先导化合物。根据最近的报告，CXCR2是MIF的重要功能受体。我们采用多种分子模拟方法探究了MIF与CXCR2的可能结合模式。首先采用同源模建的方法构建了CXCR2的三维结构；接着通过ZDOCK蛋白-蛋白对接方法预测了MIF单体与CXCR2几种可能的结合模式；将预测的几种CXCR2/MIF复合物结构分别进行了20ns的分子动力学模拟和MM/GBSA结合自由能计算，通过结合自由能的预测结果确定了最可能的CXCR2和MIF结合模式；采用能量分解方法分析了蛋白-蛋白结合界面附近的重要热点残基。理论预测结果与实验数据具有较好的一致性，对于深入理解MIF与其功能受体CXCR的相互作用具有一定的指导意义。CXCR4是MIF的另一个功能受体，并且是唯一有晶体结构报道的趋化因子受体，我们采用整合的分子模拟方法研究了CXCR4与其天然配体CXCL12的蛋白-蛋白相互作用，预测了两者可能的近天然结构，MM/GBSA结合自由能计算和自由能分解的结果与大部分实验数值具有较好的一致性；基于分子动力学模拟和能量计算结果我们提出了CXCR4-CXCL12可能的结合机理。在论文的最后一部分，系统研究了不同的Amber分子力场（ff99、ff99SB、ff99SB-ILDN、ff03和ff12SB）、不同的配体部分电荷（ESP、RESP、AM1-BBC和Gasteiger）以及不同的分子动力学模拟时间尺度对MM/PBSA和MM/GBSA结合自由能预测结果的影响。包括5个蛋白体系：Avidin、Humanthrombin、Neuraminidase、Pim1和Spleentyrosinekinase。结果表明：（1）在短时间的分子动力学模拟中（1ns），基于ff03力场的MM/PBSA和MM/GBSA有最好的表现；（2）在中等时间的分子动力学模拟中（2-4ns），基于ff99力场的MM/GBSA和基于ff99SB力场的MM/PBSA有最好的表现；（3）在大多数情况下，基于Tan等发展参数的MM/PBSA比MM/GBSA（GBOBC1）对同系物的结合能有更好的排序能力；（4）RESP电荷在MM/PBSA和MM/GBSA中都有最好的表现，AM1-BCC和ESP电荷也显示相对满意的表现。研究结果对于选择合适的力场和配体电荷基于相对较短（≦10ns）的分子动力学模拟进行结合自由能计算具有一定的指导意义。
【作者】许磊；
【导师】侯廷军；
【作者基本信息】苏州大学，材料学，2013，博士
【关键词】MIF；趋化因子受体；分子对接；虚拟筛选；同源模建；分子动力学模拟；MM/GBSA；MM/PBSA；蛋白-蛋白对接；

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