针对蛋白-蛋白相互作用的新型分子力场和熵模型的发展和应用

Almost all life activities are inseparable from the protein-protein interaction (PPI), and part of the abnormal PPI can lead to diseases. So, it is essential to clarify the molecular mechanism and the rule of motion in the atomic level. The new polarizable molecular force field which is derived from quantum mechanical calculation can accurately describe the interaction of intramolecular and intermolecular and the newly developed interaction entropy (IE) method can accurately and efficiently calculate the protein-ligand binding free energy. The interacting sites of p53/MDM2 and p53/MDMX, Bcl-2/Bad and Bcl-xl/Bad are hot targets for anti-tumor drug design. MDM2/MDMX, Bcl-2/Bcl-xl have the similar structure, however, the inhibitor which can inhibit the two proteins at the same time is lacking up to now. In this project，we will further optimize and develop the IE method combined with the polarizable force field to develop the method for predicting accurately the protein-protein binding free energy. And this can provide a reliable calculation method for studying the mechanism of PPI. Using this method, we will discuss the molecular mechanism of the different binding mode of the two proteins, investigate the effect of electrostatic polarization and the entropy on the binding free energy, treat rationally the dynamic interaction between them, and study particularly the reason of different affinity. This can provide critical information for designing accurately bifunctional inhibitor.

蛋白-蛋白相互作用（PPI）在几乎所有生命过程中发生，PPI作用位点异常是某些疾病发生的原因，阐明PPI的分子机制和规律至关重要。基于量子理论的可极化分子力场能精确描述分子内和分子间的相互作用，新发展的相互作用熵（IE）能精确高效地计算蛋白-配体的结合自由能。MDM2、MDMX和p53，Bcl-2、Bcl-xl和Bad作用位点是药物设计的热门靶点，MDM2和MDMX、Bcl-2和Bcl-xl结构相似，目前缺少同时对MDM2和MDMX(Bcl-2和Bcl-xl)具有抑制能力的抑制剂。本项目在前期工作的基础上进一步发展IE方法，并结合可极化力场发展高精度的蛋白-蛋白自由能预测方法，为研究PPI机理提供可靠的计算手段。探讨以上两类PPI结合模式差异的分子机制，考察静电极化效应和熵变对结合自由能的影响，合理处理它们之间动态相互作用，详细研究亲和力差异的原因，为双功能抑制剂的设计提供更精确的信息。

正确阐明蛋白-蛋白质之间的相互作用(PPIs)，是深入了解生物体内的自发过程和开发设计特定蛋白质与蛋白质相互作用的药物化合物的关键，如何正确的理解其分子机制到目前为止仍然是一个难点。我们先前发展的相互作用熵方法(IE)可以帮助分析分子结合前后的熵变，使得计算误差更小。在本项目中，针对一系列重要的蛋白质体系，考虑极化效应和熵损失的影响，详细探究了PPIs的分子机制，努力为双重功能抑制剂的开发提供思路。研究了p53和MDMX/MDM2识别差异，发现极化力场和IE组合计算的结合自由能差值与实验值更加一致、并发现vdW相互作用是p53和MDMX/MDM2结合的主要驱动力；对肽抑制剂pDIQ和MDMX/MDM2的结合比较表明后者与pDIQ有更多的热点接触；对抗凋亡蛋白Bcl-2/Bcl-xL分别与促凋亡蛋白Bad/Bax甄别了热点氨基酸，表明虽然同属抗凋亡蛋白，但是Bcl-xL与Bad结合能力更强，而Bcl-2与Bad结合时，发现了更多的不利氨基酸，导致二者的结合能力差异；为了从众多的decoy结构中识别出天然态结构，对大量的Bcl-2家族蛋白-蛋白、蛋白-配体体系进行预测，通过一系列的统计指标表明GBHCT模型结合相互作用熵方法能发挥出最佳性能，表明了相互作用熵方法在成功识别天然态结构方面的有效性；PPC极化力场结合IE方法通过对链霉亲和素-生物素的研究，从理论上解释了双变异时两个突变残基存在的熵协同作用；基于MM/PBSA, 进一步发展相互作用熵方法，从提出的四种计算结合自由能方法中经过训练集和测试集的验证，得到了最优的结合自由能计算工具；同时，也展开了对一些重要的靶标与药物的结合研究：通过桥水对神经氨酸酶的影响，发现桥水的存在调节了其与药物的氢键网络，增加了热点残基的数量；对新冠靶标Mpro和TMPRSS2与老药的结合机制研究，发现三个最佳药物，并且发现三个与质子化选择无关的共同热点残基；Bromhexine更容易抑制TMPRSS2的活性，发现三个更适合Bromhexine的靶点氨基酸；对神经氨酸酶突变耐药性研究发现，A/H7N9R294K突变与临床使用ZMR时发现的耐药性一致，并发现该突变破坏了配体周围形成的氢键网络。极化力场和IE方法应用于蛋白-蛋白体系有利的促进了对PPIs的理解，对方法的发展将更有助于拓宽其使用范围，为抑制剂的设计研发提供重要支撑。