Tie1调控内皮细胞Ang/Tie通路的结构基础及靶向Tie1的多肽设计

The Ang/Tie signal system is an endothelial cell-specific receptor tyrosine kinase system, which is involved in the whole process of tumor angiogenesis. Therefore, the Ang/Tie system has become a topical target for anti-tumor drugs development. It is reported that Tie1 serves as a “molecular switch” in the Ang/Tie2 pathway, while the underlying structural basis is still not clear. Here, we plan to deploy a fold of studies around the hypothesis that the structural stabilities are different between Tie1/Tie2/Ang-1 and Tie1/Tie2/Ang-2. The project will begin with establishing a structural database of Tie1, Tie2 and Ang(s). Then we will use a set of molecular simulation tools including homology modeling, molecular docking, molecular dynamics simulation, virtual mutation, as well as free energy calculation, to disclose how Tie1 regulates the responses of Tie2 to Ang-1 and Ang-2, to clarify the detailed conformational changes and key residues, and to provide lessons in understanding the biological function of the Ang/Tie system and designing potential anti-tumor drugs. On the basis of above bioinformatics investigations, we will further combine in silico and in vitro approaches to design potent peptides for competitively blocking the recognition and association of Tie1 with Tie2.

Ang/Tie信号系统是发现于内皮细胞的特异性受体酪氨酸激酶系统，参与肿瘤血管生成的全过程，成为抗肿瘤药物设计的热门靶标。当前研究发现Tie1在Ang/Tie2信号通路中起到分子开关的作用，但具体结构基础并不明晰。本项目拟基于“Tie1与Tie2/Ang-1和Tie2/Ang-2所形成复合物的结构稳定性不同”这一猜想，以构建Tie1-Tie2-Ang(s)结构模型库为切入点，结合同源模建、分子对接、分子动力学、虚拟突变和自由能计算等分子模拟技术，揭示Tie1如何调控Ang-1和Ang-2对Tie2的不同激活效应，阐明这种机制的分子结构基础和关键残基，为进一步澄清Ang/Tie系统的生物学功能以及抗肿瘤药物的设计提供有益借鉴。本项目还拟在系统获取Ang/Tie分子结构信息的基础上，设计靶向Tie1的多肽分子并加以验证，为基于Tie1-Tie2相互作用的靶向小分子多肽先导药物的发现提供新思路。

靶向肿瘤血管生成从而抑制肿瘤生长这一策略受到科学界和制药公司极大重视。然而，靶向内皮细胞特异性系统血管生成素（Angiopoietin，Ang）及其Tie受体的相关药物设计尚比较少见。随着靶向VEGF系统药物的不尽如人意以及人们对Ang/Tie系统越来越多的了解，这一领域越来越成为热点。本项目主要研究内容包括：1）建立Tie1-Tie2-Ang(s)结构模型库，涵盖静态和动态结构信息，并进一步注释其分子内和分子间形成的非键行为(如氢键等)、原子接触情况、口袋几何形状、界面堆积密度以及理化性质、保守性等，而且包括部分结构的热力学和动力学性质；2）使用分子模拟手段进行Ang/Tie系统的结构信息挖掘，揭示分子发挥其生物学功能过程中的一系列构象变化和关键残基，阐明Tie1与Tie2和Ang配体分子识别的结构动力学基础；3）综合所建立的Tie1-Tie2-Ang(s)结构模型库、所提取的结构信息知识，发展通用的理论方案框架用于为各类结构已知的受体设计靶向性多肽，并进行生物学验证。我们发现：1）Tie受体与Ang配体结合位点的保守性非常高，即使孤儿受体Tie1同样存在与Tie2类似的保守区域；2）Ang/Tie1的结合面不稳定，残基468-483与Tie2结合时的非键相互作用丢失，成为Tie1无法结合Ang配体的直接原因；3）Tie1在Tie2介导下与Ang配体形成了Tie1/Tie2/Ang三元复合物，但Tie1/Tie2/Ang-1复合物不稳定，Ang-1与Tie1相互排斥；而Tie1/Tie2/Ang-2复合物则较为稳定，使得Tie1可以抑制Ang-2的信号。我们还根据以上的工作和发现，设计并虚拟筛选出靶向Tie1的抗肿瘤多肽，生物学实验证实其与Tie1的亲和力高达0.56×10-6M，并具有一定的抑制内皮细胞血管生成、抑制胃癌细胞侵袭、抑制小鼠体内肿瘤生长的作用。此外我们还开发了评估蛋白质相互作用的动态量化工具——残基相互作用指数。本项目是对血管生成重要信号通路Ang/Tie分子体系，从原子结构角度全面分析的一次有益尝试，其结果为后续的结构相关研究提供了坚实基础和方向指引。