一些重要A族G蛋白偶联受体激活机制及其配体影响作用的理论研究

G protein-coupled receptor (GPCR) plays an important role in signal transduction. Thus, it has been a main target of drugs. However, its activation mechanism from inactive state to active state is still unclear on experiments, which limits the development of the efficacy and specificity of new drugs. Therefore, it is very important to clarify the GPCR activation mechanism and effects of ligands at molecular level. Based on the background, we will use molecular dynamics (MD) simulation, the Markov state model (MSM) and virtual screening methods to systematically study the activation mechanism for some important GPCRs of A family. The work will focuses on the three aspects as following. 1) In order to obtain meta-stable intermediates of the activation and their transition pathway, the MSM method is used to analyze the trajectories derived from many relatively short molecular dynamics simulations, which maps the conformation space of the activation. 2) MD simulations of the mutants of the meta-stable intermediates obtained are used to further reveal the individual role of key residues on the GPCR activation and gain insight into the acitivation of GPCR casued by site-directed mutation on experiments. 3) Combined virtual screening and MD simulation, we will further study recognition mechanism of the meta-stable intermediates on ligands with different efficacies. Based on the results above and available experimental observations, the work will reveal the activation mechanism of the GPCRs at molecular level and the effect of ligand on the activation, which could provide useful information for rational design of new drugs.

G蛋白偶联受体(GPCR)在信号传导中具有重要的作用，是药物研发中的主要靶标蛋白，但由于其激活机制在实验研究中还并不清楚，限制了新药研发的有效性和特异性。因此，从分子水平上阐明GPCR的激活机制以及药物配体对其影响作用就显得十分迫切和重要。本项目在分子动力学模拟中引入马尔可夫态模型，并结合虚拟筛选方法对一些重要A族GPCR进行激活机制的系统研究。其主要研究内容为：1)用马尔可夫态模型对映射了GPCR非活性态到活性态激活过程的MD轨迹进行统计分析，有效获取激活过程中的各活性亚态及迁移路径；2）通过对各活性亚态的定点突变MD模拟，进一步探讨关键残基对激活过程的影响机制，并解释突变激活现象。3)结合虚拟筛选和分子动力学模拟进一步研究各活性亚态对不同药物配体的识别机制。通过综合分析，并与实验结果进行对比关联，探明GPCR激活的分子机制及其配体的影响作用,为GPCR新药的合理设计提供理论依据。

G蛋白偶联受体(GPCR)在信号传导中具有重要的作用，是药物研发中的主要靶标蛋白，但由于其激活机制在实验研究中还并不清楚，限制了新药研发的有效性和特异性。因此本基金项目基于靶标蛋白-药物-药物合成酶关系模型出发，结合分子动力学模拟，虚拟筛选和一些生物信息学方法对以GPCR为主的药物靶标蛋白的激活机制、药效功能、药物合成酶催化活性提高等几个方面进行了系统深入的研究。本项目主要完成了4部分的研究，1)基于MD模拟探明了一些A族GPCR的激活和突变自激活机制，识别出激活过程的重要中间态，结合虚拟筛选和自由能计算研究了这些重要中间态对药物配体的筛选识别作用，研究结果发现它们由于口袋构型的改变对药物有不同的识别作用；2) 结合生物信息学方法获取了以GPCR为主的靶标蛋白二聚体功能单元的结构性能及药效功能。揭示了其与单体功能单元的不同行为，提出了预测靶标蛋白二聚体可药性的策略和方法以及Hub蛋白的识别，这些研究结果为GPCR二聚体为功能单元的激活机制和药效功能的研究提供了重要的分子信息，进一步拓展了对GPCR结构性能的理解。3) 结合高温MD、常温MD以及MSM模型获取了蛋白质模型体系各活性亚态稳定性及亚态间迁移平衡机制，获取了去折叠过程，识别出重要的中间态，并计算出这些态之间的转换时间，这些研究成果为GPCR靶标蛋白在发挥功能信号过程中活性中间态的识别和获取这些中间态的转换机制提供了重要的信息以及方法上的指导。4)基于分子动力学模拟研究了小分子药物合成的丝氨酸蛋白酶特异性和催化活性提高的激活机制，研究其在不同极性的非水介质条件下，纳米管激活催化活性的分子机制，为提高酶催化活性提供了反应体系优化的指导和依据。此外，本项目还结合多种计算方法对其他蛋白质体系和含能大分子体系进行了拓展研究，并取得了突出的成果。总之，本基金项目超额完成了预定的研究内容，达到了研究目标，本项目研究成果发表了26篇SCI论文，涉及培养了二十多名研究生，其中毕业10名。