基于分子动力学模拟的类风湿性关节炎相关蛋白的适配体研究与设计

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类风湿性关节炎是一种以滑膜炎症为主要特征的自身免疫疾病,发病机制十分复杂,由多种炎症因子和信号通路介导,涉及靶点较多,如染色质相关蛋白(DEK)和肿瘤坏死因子受体1(TNFR1)等。而核酸适配体药物具有高特异性、高亲和力等优点,在治疗类风湿性关节炎方面发挥了独特优势。本研究基于现有的核酸适配体,以DEK和TNFR1为靶点,利用分子动力学模拟技术,从微观原子水平探索了不同靶蛋白与其适配体的相互作用机制,确定了参与相互作用的重要氨基酸,考察了各适配体的结构变化,并基于结构和机制研究,对适配体进行设计与改造,发现了稳定性与亲和力均有较大提升的突变体。DEK靶向适配体(DTA)具有较强的抗炎能力,但较差的体内稳定性限制了其临床应用。研究发现,这一局限性可通过甲氧基修饰得到明显改善。因此,本研究首先通过结构预测,由一级序列获得甲氧基修饰前后适配体(DTA和DTA_OMe)的三级结构。然后利用分子对接技术,得到各适配体与DEK的N端(DEK_N)和C端蛋白(DEK_C)的复合物模型。最后建立DNA甲氧基化力场参数,利用Amber18软件执行分子动力学模拟,并通过变性尿素聚丙烯酰胺凝胶电泳和生物膜干涉技术对模拟结果进行验证。计算和实验结果表明,DTA经甲氧基修饰后,稳定性得到明显提高,但对DEK_N和DEK_C的亲和力却有所下降。为了解决该问题,本研究通过氢键网络分析,对形成特异性氢键的碱基进行虚拟突变,发现将DTA_OMe上的29位碱基由胞嘧啶突变为胸腺嘧啶后,可明显提高DTA_OMe对DEK_N的亲和力与稳定性。针对TNFR1靶蛋白,选取本课题组前期筛选获得的Apt1-67和Apt2-55适配体。同样通过结构预测由一级序列获得其三级结构,然后使用HDOCK进行分子对接,并利用分子动力学模拟技术研究不同适配体与靶蛋白的相互作用机制,为TNFR1特异性抑制剂的设计提供理论基础。研究发现,在动力学模拟过程中,由于Apt1-67的结构波动较大,进而诱导TNFR1的结构发生变化,使蛋白的整体紧密度下降。且Apt1-67的5’端缠绕于TNFR1的CRD1上,使该结构域的氨基酸运动幅度减小。此外,通过能量分解发现,Arg57、Lys63、Lys81、Lys119是Apt1-67和Apt2-55与靶蛋白结合时的重要氨基酸。最后,通过评估各适配体在亲和力与特异性上的差异,发现Apt1-67对TNFR1亲和力更高,而Apt2-55与该蛋白形成的特异性氢键更多,选择性更强。本研究将传统的适配体筛选方法与分子动力学模拟相结合,从探索结合机制出发,揭示了DEK和TNFR1与其适配体的作用位点,为设计特异性强,稳定性高的核酸适配体提供了理论基础。
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