蛋白酶体与不同类型抑制剂反应的理论研究

Recently, it was found that the proteasome inhibitors have powerful anti-cancer activity, and the special proteasome inhibitors designed according the regulation mechanism of the proteasome system in vivo have been applied to the medical field. For example, the proteasome inhibitor bortezomib has been approved for clinical use in the treatment of multiple myeloma. All of the clinical inhibitors of proteasome form a covalent bond with proteasome during the inhibition process. However, the detailed reaction mechanism concerning how proteasome is inhibited by a covalent inhibitor has not been understood very well, due to the lack of extensive computational studies on the complicated proteasome-inhibitor reactions at the molecular level. This prompted the applicant to propose this theoretical project on the basis of our previous work [J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 10436.]. In this project, we will build the binding models of proteasome with various types of inhibitors, and perform the computational studies on their reactions with proteasome using the molecular dynamics simulations and first-principles quantum mechanical/molecular mechanical free energy calculations (QM/MM-FE). We aim to uncover the detailed reaction mechanisms of the proteasome inhibitors and explore the correlation between the structures and reactivities of those inhibitors, thus providing a solid mechanistic base and valuable clues for the researchers in the medicinal field to use in their future rational design of novel, more potent inhibitors of proteasome.

最近，人们发现蛋白酶体抑制剂有很好的抗癌活性，并且根据蛋白酶体系统在机体内的调控机制设计的特异性位点抑制剂已开始应用于医疗领域。例如蛋白酶体抑制剂硼替佐米已经在临床用于顽固性或易复发的多发性骨髓瘤的治疗。所有可用于临床的蛋白酶体抑制剂都在抑制过程中与蛋白酶体形成了共价键，但是共价键的形成机理目前尚不完全清楚，还缺乏在分子水平上对蛋白酶体与抑制剂的作用机制进行深入系统的理论研究。这促使申请人期望在本课题组前期研究工作[J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 10436.]的基础上，在理论上建立蛋白酶体与不同类型抑制剂结合的反应模型，使用分子动力学模拟和QM/MM-FE的方法对这些抑制反应进行深入研究，揭示这些抑制反应的详细反应机理，总结蛋白酶体抑制剂的活性与结构的一般规律，从而为人们合理设计更高效的能应用于医疗领域的新型蛋白酶体抑制剂提供有价值的理论参考数据。

本项目主要用QM/MM的计算方法对蛋白酶体与多个不同肽类的反应进行了理论研究。（1）蛋白酶体催化降解反应：第一步是一个质子转移过程激活Thr1-Oγ。第二步是带负电的Thr1-Oγ亲核进攻底物的羰基碳原子。第三步是胺的脱去。第四步是水分子亲核进攻底物的羰基碳，与此同时，一个质子从水分子上转移到Thr1-Nz。第五步脱去底物。最后一步从Thr1-Nz到Thr1-Oγ的质子转移还原了Thr1。从计算的自由能曲线上可以看出第三个反应步骤有最高的反应能垒18.2kcal/mol，这与实验上得到的能垒~18.3–19.4kcal/mol非常接近。该部分工作第一次揭开了细胞体内蛋白质降解反应过程的神秘面纱，对于人们理解和研究细胞体内蛋白质的新陈代谢历程有非常重要的意义。（2）蛋白酶体与抑制剂Epoxomicin的反应：第一步是一个直接的质子转移，Thr1-Nz直接激活Thr1-Oγ形成一个两性离子中间体。第二步是带负电的Thr1-Oγ亲核进攻EPX的羰基碳原子。第三步是从Thr1-Nz到EPX的羰基氧原子的质子转移。第四步是Thr1-Nz亲核进攻EPX的环氧环，同时伴随着环氧环的开环（SN2亲核取代），两性离子吗啉环在这一步在残基Thr1和EPX之间形成。最后通过另一个质子转移生成最终的吗啉环产物。（3）蛋白酶体与抑制剂syringolin A的反应：第一步是一个直接的质子转移，Thr1-Nz直接激活Thr1-Oγ形成一个两性离子中间体。第二步是带负电的Thr1-Oγ亲核进攻SylA的烯烃碳原子。最后是从Thr1-Nz到SylA的烯烃碳原子的质子转移完成整个抑制过程。计算的自由能曲线表明第二个反应步骤是决速步，有一个24.6kcal/mol的自由能垒，这与根据实验动力学数据推算的活化自由能垒（~22.4–23.0kcal/mol）非常接近。（4）蛋白酶体与β-lactone类抑制剂的反应：第一步是一个直接的质子转移，Thr1-Nz直接激活Thr1-Oγ形成一个两性离子中间体。接着一步是带负电的Thr1-Oγ亲核进攻底物羰基碳原子C1。最后是从Thr1-Nz到底物氧原子O1的质子转移，并伴随着底物四元环的开环从而完成整个抑制过程。这些反应机制不但对于理解蛋白酶体抑制过程有帮助，而且能为将来合理设计新型蛋白酶体抑制剂提供有价值的参考。