小型核酶自切除反应机理和催化活性调控机制的理论研究

核酶是具有催化功能的RNA分子，具有自切除和断裂其它目标RNA分子的功能，从而抑制和阻断基因表达，可用于癌症的基因治疗过程中。对它的理论研究具有重要的意义。计算生物化学方法目前已经广泛应用于研究复杂生物体系的行为，但在核酶催化反应方面的利用还很有限。本项目以小型核酶-丁型肝炎病毒(HDV)核酶为研究对象，综合利用量子力学、分子力学、QM/MM和Monte Carlo统计力学模拟方法，计算反应的势能面及反应自由能垒，得到反应的具体进程，研究其催化自切除过程的机理。考察体系中金属离子和特定碱基对与催化活性中心的相互作用和碱基与磷酸酯相互作用的特点。总结这些相互作用在促使活性位点的构象转变和定位活性基团的贡献以及对催化活性影响的规律性。这些研究将有助于提高对该核酶的功能及催化活性本质的认识，对于人工设计具有特定剪切位点的RNA分子具有一定的理论指导意义，对其它核酶催化过程的研究也有借鉴意义。

小型核酶是其序列长度在200个核苷酸以下的核糖核酸RNA分子片段，具有类似于酶的催化作用。它们的自切除和断裂其它目标RNA分子的功能，使得核酶可以抑制和阻断基因表达，用于癌症的基因治疗过程中。由于核酶的这种生物学重要性，探索核酶的催化过程机理具有重要的学术意义。本项目综合利用量子化学和分子模拟（Monte Carlo 模拟和分子动力学模拟）方法以及QM/MM模型，较深入地研究了小型核酶的自切除反应机理和其它生物分子在酶和溶剂环境下的热力学和动力学行为, 取得了一些重要的研究成果。研究了glmS核酶模型体系的自切除机理以及辅因子GlcN6P的作用。获得了两条反应途径的势能面和反应自由能垒，确定出未质子化的GlcN6P作为广义碱并结合两个水分子的途径B是优势途径，其中存在的很强的氢键作用稳定了RNA骨链，O2’的亲核进攻步骤为决速步骤。利用基于SCC-DFTB模型的QM/MM方法和分子动力学模拟方法以及密度泛函理论B3LYP研究了人脑天冬氨酸酰酶与底物的相互作用和催化作用机理。研究结果表明酶催化反应经历一个水分子促进的优势途径，而残基Glu178起了广义碱和广义酸的作用。自由能计算建议第一个亲核步骤是决速步，它的活化能垒为15.9 kcal/mol，与实验值吻合很好。静电相互作用分析显示底物羰基氧与Zn离子的弱氢键作用和与残基Arg63间的强氢键作用对过渡态的稳定有贡献。采用量子化学方法结合Monte Carlo统计力学模拟方法考察了5-杂氮-2’-脱氧胞苷水解过程的机理和溶剂效应，讨论了水分子与反应体系的氢键相互作用。结果表明水作为溶剂大大降低了反应的活化能垒，水助途径3为优势机理。对其它涉及在DNA中核苷的氧化损伤和修复过程的复杂机理的理论研究揭示出碱基的质子化作用在预测优势糖基化酶机理中起着重要的作用。采用机器学习理论结合分子描述符和递归变量消除法，建立了预测不同结构的几种酶的选择性抑制剂活性的模型，比较了各方法的建摸能力，探索并总结了酶抑制剂的分子结构特征与其生物活性之间的关系。这些研究将有助于提高对核酶等生物分子的功能和催化活性本质的认识，为从分子水平上认识生命现象提供一定的理论信息。本项目执行期间共发表研究论文32篇，其中SCI收录30篇。