肿瘤靶向穿膜肽的选择性跨膜分子机制及其设计研究

The lack of cell specificity of cell penetrating peptides(CPPs) remains a major issue for their clinical applications. In order to successfully design tumor-targeting CPPs, it is necessary to improve our understanding of the molecular mechanism of selective translocation of CPPs and locate the key factors that affect the mechanism. Molecular dynamics simulations have been proven to be a valuable tool to study the molecular mechanism of membrane penetration by small peptides. Hence, the first aim of this proposal is to explore the critical factors that influence the tumor-targeting effect by comparing the interaction between different membranes and three types of peptides, such as tumor-targeting CPPs, non-targeting CPPS and non-CPPs. The second aim is to investigate the effect of different types of cell membranes on delivery efficiency of cell penetration by three types of peptides. In particular, we will employ a method called Metadynamics and its variants, so that one simulation is sufficient for obtaining the translocation free energy and the transition structural character of single peptide. The third aim is to compare the translocation efficiency of the new rationally designed peptides by using both molecular dynamics simulation and experiments. These studies will provide in depth mechanistic understanding for designing tumor targeting CPPs that are critical for reducing side effects and delivering drugs efficiently into the target tumor cells.

细胞穿膜肽在体内缺乏靶向性使得这类载体的临床应用受到很多限制。成功设计肿瘤靶向穿膜肽的关键是充分认识这类多肽的选择性跨膜分子机制。分子动力学模拟能为这方面研究提供重要指导和补充。因此本项目重点是：（1）比较肿瘤靶向穿膜肽、非靶向穿膜肽及非穿膜肽跟不同细胞膜之间的相互作用，分析影响穿膜肽肿瘤靶向性的关键因素；（2）计算以上三类多肽在不同细胞膜下的跨膜自由能，定量分析不同细胞膜改变其跨膜能力的结构特征，特别是我们将使用Metadynamics及其变种方法，使单个模拟能直接分析小肽的跨膜自由能和跨膜结构。这种分析将为理性设计肿瘤靶向穿膜肽提供有效帮助；（3）基于以上研究理性改造细胞穿膜肽，利用模拟和实验手段比较新改造多肽在不同细胞膜下的跨膜效率。这些研究对如何改造或设计肿瘤靶向穿膜肽提供理论依据和实验支持，对改善药物跨膜能力、减少抗肿瘤药物对其它健康组织的毒害等方面有着重要的科学和实际意义。

肿瘤靶向穿膜肽能准确定位到肿瘤细胞，并穿膜输送药物分子。但目前尚不完全清楚影响多肽靶向性和跨膜效率的关键因素。本项目基于高采样分子动力学模拟研究影响穿膜肽靶向性及跨膜效率的关键因素。首先利用分子动力学模拟方法分析不同多肽与不同细胞膜之间的相互作用、多肽及细胞膜的构象变化、影响小肽结合的关键残基等，研究影响穿膜肽靶向性的关键因素。结果表明：在结合过程中，带正电荷残基如Arg会先结合到细胞膜上，静电相互作用在小肽锚定细胞膜的过程中起关键作用。此外疏水性强的小肽容易在细胞膜表面形成疏水聚集。然后，利用bias-exchange metadynamics增强采样方法分析不同氨基酸及多肽的跨膜自由能变化和构象变化，直观显示不同多肽的跨膜难易及跨膜结构特征。对具有两亲性的多肽而言，反应坐标可以考虑多肽同细胞膜质心之间的距离、带正电荷氨基酸同上下层细胞膜头部基团之间的contact、疏水氨基酸同细胞膜尾部基团之间的contact、多肽的二面角或二级结构（考虑多肽在穿膜过程中通过调整自己的构象协同跨膜）等。单组模拟能直接获取多肽距离细胞膜中心不同位置时的自由能并分析不同位置时多肽的构象特征。小肽一般通过带正电荷氨基酸与细胞膜头部基团的静电作用结合到细胞膜上，这时小肽平行于细胞膜表面；随着疏水氨基酸同细胞膜疏水尾部的相互作用，小肽会逐渐进入细胞膜中心；小肽构象发生变化，小肽垂直于细胞膜表面，一些正电荷氨基酸同上层细胞膜头部基团存在相互作用，另一些带正电荷氨基酸同下层细胞膜头部基团存在相互作用，小肽以跨膜的形式存在。小肽-细胞膜之间的亲水与疏水相互作用的协同作用导致小肽能跨过细胞膜。在最大自由能势垒时，小肽具有平行于细胞膜表面的构象，其势垒高度由小肽对细胞膜疏水区域的亲合力决定。细胞膜适当的双分子层扰动和GDM+配对有利于多肽的跨膜。这些研究在微观尺度对理解多肽序列如何影响其跨膜效率和机制提供帮助，为设计高效靶向穿膜肽提供帮助。