HIV-1整合酶原发性耐药突变的耐药机理研究

现有的临床抗艾滋病药物均产生了耐药性。二酮酸（DKAs）类HIV-1整合酶（IN）抑制剂是最有前景的IN抑制剂，阐明IN对DKAs类抑制剂的耐药机理，将有助于更合理地设计高效IN抑制剂并更合理的使用已有的IN抑制剂。N155S/H、Q148K/R/H以及Y143/R/C/H是IN对于DKAs类抑制剂所产生的主要原发性耐药突变位点，产生频次较高且是保守转换残基。研究表明，HIV-1产生高度耐药总是与原发性耐药突变的出现相关。该申请项目拟综合采用分子模拟技术及分子生物学实验方法相结合，系统全面的探讨以上几种原发性耐药突变的耐药机理，寻找它们共有的结构及相互作用特点，并在此基础上设计新的对野生型及耐药型IN均有效的双效抑制剂。本项目的研究结果不仅能为新的IN抑制剂设计提供理论依据，同时也对指导临床治疗具有重要意义。

通过分子模拟方法，揭示了N155S突变导致IN活性减弱的机理：突变导致155位残基侧链变小，其所在的螺旋4构象发生变化，进而导致螺旋4上的152位残基与活性中心的相互作用网络发生重排，最终Mg2+位置发生明显变化，活性口袋明显拓宽，导致了突变体的活性下降；突变导致Loop140的柔性降低，而该区域的高活性对于IN的活性非常重要；突变后，N155S体系的活性口袋扩大，vDNA更靠近α4区域，最终改变了vDNA 的3’-OH 与IN活性中心的接触，导致活性降低。通过分子模拟方法，阐明了该突变导致二酮酸类抑制剂发生耐药的机理：RAL竞争性抑制vDNA与IN的结合, 同时在vDNA与hDNA之间形成空间位阻，抑制了链转移过程；突变导致IN结构的功能性分区模糊化，以及DDE基序残基的运动相关性的弱化；突变后，E92残基变的不利于抑制剂的结合，而D64残基所在区域对于双效抑制剂的结合有利。通过分子生物学方法验证了分子模拟的结论，并进一步深入揭示了突变导致IN活性减弱及耐药的机理：155位残基的大小对于IN发挥活性具有重要意义；在WT中，92位残基侧链电荷有利于野生型IN发挥活性，而在N155S体系中，92位残基的电荷性质及侧链大小对其发挥活性非常重要；无论在WT中还是在N155S突变体中，92位残基的侧链大小及电荷性质均对耐药性产生重要贡献，在N155S突变体系中，155位残基变小对耐药的贡献与92位残基侧链变小特别是其电荷消失对耐药的贡献产生了级联放大。通过QSAR研究，提出了对IN的二酮酸类抑制剂的改造意见：在二酮基附近增加带电或极性基团。构建了二酮酸类小分子抑制剂的关键理化性质与其活性的相关性模型，结果表明，小分子的水溶性、范德华能及氢键能等理化性质对其发挥活性具有较重要的贡献。本工作将增加我们对于耐药突变发生后，IN的链转移活性及其对DKAs类抑制剂产生的耐药性的机理的认识，这些机理有助于双效抑制剂的设计和改造：考虑WT及突变型IN活性中心共有特征，如64位残基有利于双效抑制剂结合；可通过增加二酮酸区域的电荷基团、柔性或增加可与Mg2+配位的原子实现抑制剂适应突变前后的不同的活性口袋构象；此外，考虑水溶性、范德华及氢键能性质，它们对小分子的活性贡献较大。通过完成该基金项目，发表国内外核心期刊论文8 篇，其中SCI收录7篇；获得北京工业大学研究生科技创新一等奖等3个奖项。