PFV整合酶受体与配体识别的计算模型研究

Integrase (IN) aids the integration of human immunodeficiency virus (HIV) DNA into the host DNA, and is an important target for designing and developing the novel anti-AIDS drug. Isoindol compounds can effectively inhibit the activity of IN. The structure of prototyp foamy virus (PFV) IN has a high homology with HIV IN, and has the binding information of DNA and Raltegravir drug lacked in the latter system. The structure of PFV IN with DNA and inhibitor is very complex, and there is a large conformational change when the system exerts its catalyzing function.Thus, it is nessary to establish the computing model for the recognition between PFV IN receptor and its ligands.Through the study on the computing methods, the project aims at predicting the bingding modes of PFV IN with DNA and inhibitors, obtaining the key residues and bases for the interactions, analyzing the useful information about conformational change, drug resistance and binding free energy, building the platform of anti-AIDS drug screening. From the previous studies of our research group, we will develop molecular docking, coarse-grained elastic network model and density functional theory methods fit for PFV IN system. Finally, the funcitonal slow motion mode for the enzyme and the metal effect of magnesium ions are explained. The project not only provide some useful exploration for the methodology for complex systemic recognition, but also helps the anti-AIDS drug design based on the structure of IN.

整合酶将人类免疫缺陷病毒（HIV）DNA整合到宿主DNA中，是抗艾滋病新药研发的重要靶点，而异吲哚化合物能有效抑制整合酶活性。原核泡沫病毒（PFV）整合酶的结构与HIV整合酶高度同源，并含有后者所缺乏的DNA及Raltegravir药物的结合信息。PFV 整合酶与DNA及抑制剂的复合物结构复杂，在发挥催化功能时，构象有大幅变化，建立PFV 整合酶受体与配体识别的计算模型十分必要。本项目旨在通过计算方法的研究，预测PFV整合酶与DNA及抑制剂的结合模式，获得相互作用的关键残基和碱基；分析构象变化、抗药性及结合自由能等有用信息，建立抗艾滋病药物筛选平台。结合课题组前期研究基础，发展适于PFV 整合酶的分子对接、粗粒化弹性网络模型和密度泛函理论方法，揭示酶功能性慢运动模式以及镁离子的金属效应。该项目不仅在复杂体系识别的计算方法学上进行了有益探索，而且对基于整合酶结构的抗艾滋病药物设计提供帮助。

HIV 整合酶（IN）能催化逆转录病毒 DNA 整合到宿主 DNA 中，是艾滋病药物研发中的一个重要靶点，目前尚无HIV-1 IN-病毒DNA复合物结构报道。基于和HIV IN高度同源的原核泡沫病毒（PFV）IN与病毒DNA的复合物结构，本项目用多种理论方法研究了该复杂体系分子识别的计算模型。体系涉及到蛋白质、病毒 DNA、抑制剂小分子和金属离子等，相互作用情况比较复杂。所以该课题无论是从理论上研究复杂生物分子体系的分子识别机理，还是从该体系研究所衍生的抗艾滋病药物分子设计应用，均具有十分重要的研究价值。在该基金资助下，我们做了四个方面的工作：（1）用分子对接方法研究了一系列二酮酸抑制剂与PFV IN的复合物模式，结果表明，酮-烯醇，双-二酮酸，四唑基和叠氮基是帮助识别病毒DNA的重要官能团，能增加二者的结合能力，氢键和疏水相互作用是抑制剂和PFV IN主要识别驱动力；（2）用高斯网络模型和各向异性网络模型研究了PFV IN单体以及IN-病毒DNA复合物的运动模式的差异性，病毒DNA的潜在结合能力是PFV IN的内在特性，这由该酶特定的结构拓扑所决定；（3）用分子动力学模拟、结构成簇以及自由能曲面等方法研究了包括PFV IN-DNA在内的生物大分子结构-功能关系，其中雷特格韦(RLV) 主要是以分子中心羟基嘧啶基团为中心，两侧的恶二唑和氟苯基团更为靠近，尤以氟苯基团更为明显，即恶二唑-羟基嘧啶-氟苯基所组成的角度微幅变小结构变形的方式与HIV-1 IN核心区中的D116和N155残基去发生特异性识别；在金属效应方面的研究，用密度泛函理论得到获得着色性干皮互补组A蛋白锌指结构中心电荷分布，并联合使用分子动力学模拟方法分析了不同金属含有锌指结构的蛋白质构象的影响；（4）建立了基于原子统计势的蛋白质-配体分子对接策略，采样充分考虑了分子柔性，打分函数方面则采用自由能项，已经成功申请软件著作权；开展了蛋白质-DNA分子识别、基于受体及配体结构的药物分子设计、主持编写刊出《计算机化学基础与实践基础》教材等工作。