界面水在介导蛋白激酶与抑制剂结合的物理机制及极化效应研究

The water molecule plays an important role in determining the structure and function of biological macromolecules. And it has attracted more and more attention in recent years. The process of water-protein interaction is largely driven by electrostatic interaction. A well-known deficiency of the widely used force field is the lack of electrostatic polarization effect of proteins, which casts uncertainties on the accuracy and reliability of computational study of biomolecules. The dynamically adjusted polarized protein-specific charge (DPPC) is derived from quantum mechanical calculation for a protein in solution in which atomic charges are periodically updated in MD simulation to properly account for the impact to the charge from the dynamics fluctuation of protein structure. It overcomes the deficiency in the standard force fields and provides a more accurate and reliable description of protein structure and dynamics. In this project, the application of DPPC will focus on the study about protein kinase system: understanding the physical mechanisms of interfacial water molecules in mediating protein kinase and ligand binding, describing electrostatic polarization effect, and exploring the possibility of replacing the interfacial water molecules by the ligand modification. By a large number of studies for kinase systems, we will sum up the relevant rules and predict the necessary condition for the existence of water molecules from protein binding sites and the possibility of being displaced. Then we get the best fashion of replacing water molecules. These studies can provide useful information for ligand optimization and rational drug design, and improve the efficiency of the computer-aided drug design of protein kinase. At the same time, this also provides a reference for other proteins.

水分子对生物大分子的结构和功能起着至关重要的作用，在近年来引起越来越多的重视。它与生物大分子的作用主要是静电相互作用，然而传统蛋白质力场缺乏显式的静电极化效应，严重制约着动力学模拟的可靠性。基于精确量子力学计算的动态的蛋白质专一性极化力场克服了目前广泛使用的分子力场方法的不足，提高了蛋白质等生物大分子体系理论计算的可靠性和精度。本项目致力于将此极化力场应用到激酶体系中，研究界面水分子在介导蛋白激酶与抑制剂结合的物理机制、挖掘极化效应在这一过程中扮演的角色、探索通过抑制剂修饰取代界面水达到同样或更好抑制效果的可能性。通过对大量激酶体系的计算与研究，归纳总结相关的规律，预测结合口袋内水分子存在的必要条件及被取代的可能性和最佳取代方式。这为基于小分子抑制剂结构的改造和优化提供帮助，提高计算机辅助蛋白激酶抑制剂设计的精度和效率，同时也为其他相关蛋白的研究提供借鉴。

精确高效的预测蛋白-配体相互作用的结合自由能中熵的贡献一直是理论计算的重点和难点，我们发展了相互作用熵(IE: JACS, 2016)方法能够直接从动力学模拟的结果中获得体系的熵变，该方法理论严格、物理意义明确，计算效率高。通过结合蛋白质专一性极化力场我们研究了一系列重要体系的作用机制。研究了静电极化效应和桥梁水分子对CDK2激酶-配体结合亲和力的影响，阐明了它们在动力学模拟过程及结合自由能预测的重要性。在不同的激酶体系中，桥梁水与蛋白形成的氢键都要比和配体形成的氢键更稳定。由于所处的环境不同，桥梁水对结合自由能的贡献不同，我们对桥水在不同体系不同环境中取代与否做出了预测；研究了桥梁水分子、蛋白质内部不同的介电常数和熵变对用MM/PB(GB)SA方法计算HIV-1蛋白酶体系结合自由能的影响，发现采用较高的介电常数并考虑桥水的贡献可以显著提高体系的计算精度，包含静电极化效应的影响和使用IE方法计算熵的贡献能明显降低系统的误差，并提供了针对MM/PBSA(1.4~1.6)和MM/GBSA(1.8~2.0)方法计算结合自由采用介电常数合适的范围。使用IE方法进行了热点氨基酸预测，详细分析了HIV-1蛋白酶与抑制剂、桥梁水相互作用机制；研究了桥梁水分子对HIV-1和HIV-2蛋白酶与抑制剂结合模式差异的影响，发现桥梁水分子对HIV-1复合物的结合起到了有利的贡献；然而对HIV-2复合物的结合却是不利的，这是导致抑制剂与HIV-2亲和力比HIV-1亲和力弱的原因之一，并讨论了HIV-2蛋白酶复合物中质子化状态的功能作用；详细阐述了间变性淋巴瘤激酶(ALK)的野生态和三种突变体与两种抑制剂(5P8/VGH)的抗药性机理，研究发现蛋白质专一性极化力场下模拟的ALK-抑制剂形成的氢键稳定性都高于传统的AMBER力场，结合IE方法计算的结合自由能与实验值排序基本吻合，GLU1197残基在引起两种抑制剂的抗药性中起了重要作用；研究了氨基噻唑化合物在抑制剂与CDK2激酶结合时不同取代位置的影响；研究凝血酶-抑制剂、胰蛋白酶-抑制剂的相互作用机理。通过上述计算验证了极化力场结合IE方法在生物大分子研究中的高效性和精确性，强调了静电极化效应和桥梁水分子在预测蛋白与配体结合自由能的重要性，方法的应用将对药物的修饰和设计提供理论计算指导。