结合简振模式分析的蛋白质分子动力学模拟方法发展及应用研究

The protein conformational change is often related to its biological functions, while large-scale conformational change of a protein is usually associated with the binding of its ligand. Thus, understanding the molecular mechanisms of the change and the effect of ligand binding are very important in biology and drug design. However, it is difficult for the current experimental technologies to measure the dynamic process of conformational transition. Meanwhile, the conventional molecular dynamics (MD) simulation is also difficult to capture the relevant conformational change as the change is beyond the accessibility of typical computing resources. In this project, based on our newly developed MD simulation method, namely NUMD, we aim at the further development of the method that combines the normal mode analysis and kinds of enhance sampling methods to make it possible to simulate the large-scale conformational change of the middle-size protein systems (above 300 residues) with acceptable computing resources and accuracy. The improved approach is going to be applied to the simulation of the binding mechanism and free energy profile of important biological systems including drug targets. The goal of this project is to provide a new reliable simulation tool for computational biology and drug design.

蛋白质分子结构的变化与其生物学功能密切相关，配体与蛋白质的结合往往也伴随着构象的显著变化。因此，有关蛋白质构象变化的研究对生物学及药物研究都具有重要意义。然而，目前的实验技术很难捕捉到蛋白质构象变化的动态过程，而常规的分子模拟方法的模拟时间有限，也难以模拟蛋白质构象的大规模变化，从而限制其在蛋白质构象变化中的实际应用。本项目拟在我们最新发展的蛋白质大规模构象变化模拟方法NUMD的基础上，结合简振模式分析和多种增强型取样方法，开展进一步的方法优化和发展研究，实现300个氨基酸以上的蛋白体系的大规模构象变化计算模拟，并将其应用于具有重要生物学意义的蛋白质体系，研究包括药物分子在内的配体和蛋白质之间的结合过程和能量特征，为计算生物学及药物设计提供新的研究思路和理论工具。

蛋白质分子构象的变化与其生物学功能密切相关，配体的结合往往会导致靶标蛋白的大规模构象变化。因此，研究蛋白质构象变化及其与配体的相互作用对生物学和药物研究都具有重要意义。然而，常规的实验技术或分子理论模拟在靶标蛋白大规模构象变化中的广泛应用却面临着巨大挑战，如常规理论计算的时间尺度远小于实际时间尺度。为此，本项目紧密围绕高效准确模拟靶标蛋白大规模构象变化及精确模拟蛋白与配体相互作用这2个方面开展研究工作，在NUMD方法基础上开展方法优化和发展，以获得更加准确高效的模拟方法。1）为使分子动力学模拟能有效跨越能垒，在模拟过程中引入简振模式分析（Normal Mode Analysis, NMA），发展了基于简振模式分析的准动态模拟新方法（NMA-WT），在5种不同蛋白体系中的测试结果显示NMA-WT可高效获得靶标蛋白的大规模构象变化；2）为减少副本互换所需副本数目，进一步优化了基于显隐性水模型的副本互换方法（hybrid Replica Exchange Molecular Dynamics, hREMD），使其适用于靶标蛋白大规模构象变化的研究，将其应用于HIV-1蛋白酶的大规模构象变化中，发现其构象变化机制；3）进一步发展了联合使用简振模式分析及副本互换的NMA-REMD方法，深入研究了别构抑制剂NIT在HIV-1 蛋白酶中的结合机制，并与2个传统的药物分子APV和DRV进行比较，发现其别构调节机制；4）为研究靶标蛋白的大规模构象变化，进一步采用长时间分子动力学模拟、主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）和伞取样相结合的模拟新策略，深入研究了锌离子在NDM-1构象变化中的作用机制；5）为准确计算靶标蛋白与配体相互作用，发展了精确计算蛋白体系原子电荷的QMPC方法，将其应用于多种靶标蛋白与配体结合自由能的计算中，发现QMPC能精确处理静电极化效应，显著提高结合自由能的计算精度；6）为精确研究靶标蛋白与配体相互作用机制，采取了将长时间分子动力学模拟、自由能微扰和伞取样相结合的模拟策略，深入研究重要的抗肿瘤靶标ALK与配体相互作用的热力学及动力学机制进行研究，阐明了L1196M突变造成的耐药机制。发表SCI论文8篇，完成了预期的研究目标。