基于分子对接、分子动力学和MM-PBSA计算预测双重抑制剂

基于分子对接、分子动力学和MM-PBSA计算预测双重抑制剂

  人类免疫缺陷病毒1型蛋白酶(HIV-1 PR)和肾素分别是艾滋病和高血压治疗的主要靶标。

 

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  抗糖尿病药卡格列净的MM-PBSA(Molecular mechanics Poisson−Boltzmann surface area)自由能计算和抑制试验证明了其与两种蛋白质的有效结合。 此外,阿利吉仑和地瑞那韦分别显示出对HIV-1 PR和肾素的高亲和力。 重要的是,在实验和预测结合能之间观察到很高相关性(r2 = 0.92)。 这项研究表明,卡格列净、阿利吉仑和地瑞那韦可能会对HIV-1 PR和肾素产生双重抑制。 由于抗逆转录病毒疗法具有发生高血压和糖尿病的高风险,因此针对HIV-1 PR基于阿利吉仑或基于卡格列净的药物设计可以消除这些副作用并且能促进艾滋病治疗。

 

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研究方法

 

分子对接

 

  使用DOCK 6进行对接评分,使用Chimera模块准备配体,使用Chimera的DockPrep功能准备两种蛋白质。格点模块用于生成一个25Å×25Å×25Å的评分网格。配体设置是柔性的,而蛋白质在对接期间保持刚性。

 

分子动力学(MD)模拟

 

  使用AMBER 11软件包中SANDER模块对四个复合物进行了在显式溶剂中的全原子无约束MD模拟。添加缺失的氢原子之前,使用AMBER的tLEaP模块,从晶体结构中除去晶体水分子和配体。除去抑制剂后,对载脂蛋白结构进行MD分析,以解释未结合蛋白酶的行为。使用ANTECHAMBER模块(使用具有AM1-BCC电荷的GAFF力场)构建了配体结构。每个系统在截断八面体周期边界条件下使用TIP3P水模型进行溶剂化,截止距离为10。使用AMBER下ptraj模块对所得轨迹进行进一步分析。

 

MM−PBSA 计算

 

  MM-PBSA是一种终点法,涉及计算两种状态之间的自由能差异。结合自由能分配有助于了解复杂的结合过程。对于每个配体-蛋白质系统,结合过程伴随着结合自由能(ΔGbind)的变化:

 

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  该程序通过考虑不含任何水分子或抗衡离子复合物的2500帧。对于每帧,使用以下等式计算复合物的结合自由能:

 

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聚类分析

 

  使用MOIL-View 10.0程序的分层方法进行卡格列净与HIV-1 PR和肾素的聚类计算。聚类的距离度量使用3.0 Å rmsd截止值以分类10000个构象。 将聚类产生的代表性结构用于进一步分析。

 

HIV-  1 PR抑制试验

 

  通过使用显色肽底物的分光光度法进行HIV-1 PR抑制活性测试。

 

结果

 

卡格列净与HIV-1 PR和肾素复合物的构象特征

 

  卡格列净与HIV-1 PR和肾素复合物的RMSD图表明,卡格列净能以不同构象结合两个靶标,有利于卡格列净充当HIV-1 PR和肾素的双重抑制剂。

 

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卡格列净和(a)HIV-1 PR、(b)肾素、(c)HIV-1 PR和肾素的RMSD图;(d)卡格列净在两个蛋白的活性位点图。

 

地瑞纳韦与肾素复合物的构象特性

 

  地瑞纳韦与肾素和活性位点残基的RMSD图表明:地瑞纳韦能引起肾素的结构变化,故地瑞纳韦有可能充当肾素的有效抑制剂。

 

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地瑞纳韦与肾素和活性位点残基的RMSD图。

 

阿利吉仑与HIV-1 PR复合物的构象特性

 

  阿利吉仑与HIV-1 PR和活性位点残基的RMSD图表明:复合物结构在模拟期间保持稳定,且配体和蛋白结合紧密。

 

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阿利吉仑与HIV-1 PR和活性位点残基的RMSD图。

 

HIV-1 PR和肾素的结构柔性

 

  HIV-1 PR和肾素的RMSF图表明:化合物与蛋白结合后显示出很高的稳定性,活性位点残基最明显。

 

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HIV-1 PR和肾素的RMSF图

 

氢键分析

 

  HB分析进一步表明了化合物与配体的相互作用强弱,为化合物成为蛋白抑制剂提供了有利支持。

 

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氢键相互作用

 

抑制试验和MM-PBSA分析

 

  使用MM-PBSA方法进行四种配合物结合自由能计算,以定量方式评估复合物的结合模式。

 

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配体和蛋白酶关键残基之间形成明显静电相互作用和范德华力。

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MM-PBSA结合自由能计算

 

总结

 

  本文比较了具有共同结构特征的两种天冬氨酸蛋白酶、HIV-1 PR和肾素的结合模式和构象特性。分子对接计算表明,卡格列净也可能是HIV-1 PR和肾素的有效抑制剂。对四种复合物进行了20纳秒的MD模拟,观察所有结构稳定具有降低柔性的抑制剂结合构象。以上结果表面卡格列净能够诱导结合蛋白质的结构变化。

 

  MM-PBSA自由能计算以定量方式描述了小分子抑制剂HIV-1 PR和肾素的结合模式。复合物的总自由能预测显示卡格列净作为双重抑制剂是非常有效的,故基于卡格列净的药物设计可能消除传统治疗艾滋病患者最终会发展为糖尿病的问题。

 

  这项研究揭示了目前用于治疗艾滋病,高血压和糖尿病的特定药物可以作为HIV-1 PR和肾素的双重抑制剂。由于糖尿病的发展与艾滋病和高血压相关,所以基于抗糖尿病药物骨架去设计新HIV-1 PR和肾素抑制剂将具有非常重要的意义。

 

参考

 

Tzoupis H, Leonis G, Megariotis G, et al. Dual inhibitors for aspartic proteases HIV-1 PR and Renin: advancements in AIDS–hypertension–diabetes linkage via molecular dynamics, inhibition assays, and binding free energy calculations[J]. Journal of medicinal chemistry, 2012, 55(12): 5784-5796.