分子动力学模拟案例分析
分子动力学模拟经典案例分析
雷特格韦（Raltegravir ）是第一个通过FDA 审查的HIV-1整合酶抑制剂，前期研究发现它与最佳背景疗法结合，抗HIV 能力强于单用最佳背景疗法。下面是它的三维立体结构以及它与HIV-1整合酶结合的口袋位置图：
图5 左图表示 Raltegravir 的三维立体结构，右图是HIV-1整合酶的口袋区域，蓝色小分子在晶体
结构中已存在，黄色小分子是对接时筛选到的。
案例一：寻找新的HIV-1抑制剂8。
1. 研究者通过构建HIV-1整合酶的三维结构，寻找它的结合口袋，如上图所示。
2. 通过文献调研，寻找到31个已知的具有不同结构类型的HIV-1抑制剂；并且新发现9个具有潜在效用的小分子（研究者从实验中发现，或者从虚拟筛选中得到）。
3. 选取在分子对接中能量超过一定数值（这里是-50kcal/mol）的小分子做分子动力学模拟，通过动力学轨迹分析了解蛋白与小分子的结合情况，并计算它们的结合自由能，一般是分子动力学中的MM/PBSA或者MM/GBSA方法。
4. 下表的数据中分别列出了抑制剂的IC50值（达到最大抑制一半时小分子的浓度）、分子对接中的能量、MM/GBSA方法计算得到的结合自由能、MM/PBSA方法计算得到的结合自由能。
L01是晶体结构中存在的配体小分子，L02即为Raltegravir ，L02t 是Raltegravir 的钾盐，从L32到LGE 是新发现的那九个小分子。
分析数据表明，Raltegravir 盐类比Raltegravir 本身的抑制效果更好，适合成药，实际上也是如此。LGA 和LGB 两个新发现的小分子与蛋白的结合紧密程度比Raltegravir 盐类更好，可能用作下一步的生物活性分析。
5. 最后我们可以通过分析蛋白与小分子复合物的三维结构分析它们的结合模式。例如Raltegravir 与蛋白结合，形成了一些特殊的氢键，最重要的是它们都要与蛋白质中的金属离子形成配位结构。
图6. Raltegravir与蛋白结合位点图。处于图中上部位置的小分子即为Raltegravir ，它与蛋白质的一些氨基酸共同形成了金属离子（图中紫红色位置）的配位结构。
表1，各个小分子与蛋白质的对接分数（DS ）以及它们的结合自由能（ΔG ）。
以上案例总结了如何去发现一个新的药物小分子，通过动力学手段验证它的可靠性，下面这个案例我们接着用Raltegravir 举例说明如何通过动力学模拟来研究药物的成药机理以及药物耐药性的原因。
案例二：Raltegravir 耐药性的机理研究9。
在临床治疗或者实验室中均已经发现，一些在HIV-1整合酶上的重要氨基酸如果发生突变，会造成对Raltegravir 的耐药性，因此很有必要深入研究整合酶的耐药机理，为药物研发提供有用的信息。
案例一中已经说明了Raltegravir 与HIV-1整合酶蛋白共同形成金属离子的配位结构，其中最主要的是ASP64、ASP116、GLN152这三个氨基酸，在它们周围的氨基酸突变很可能导致Raltegravir 的耐药性。临床实验发现Q148这个氨基酸的突变频率比较高，并且常常伴随G140的突变。因此通过研究Q148/G140的突变蛋白三维结构，也许可以阐明Raltegravir 的耐药机理。案例二正是沿着这个方向开展下去的。
图7. HIV-1整合酶与Raltegravir 结合的区域，蓝色部分表示与金属形成重要配位的氨基酸，红色部
分表示发现的突变氨基酸，Q148和G140都在其中。
动力学研究首先构建初始的Raltegravir 与HIV-1整合酶的复合结构，经过标准的动力学流程得到可以分析的动力学轨迹。
初步分析整个动力学过程中，蛋白质结构相对初始结构的rmsd 值随时间的变化，能够发现突变后的蛋白rmsd 值都比野生型蛋白小。这说明了HIV-1整合酶与Raltegravir 结合的区域柔性变差了，这往往导致结合位点的口袋收缩，使得小分子药物无法有效地结合上去。
进一步的二级结构分析表明，受到Q148突变的影响，G140所在的loop 区域，往往会形成稳定的helix 结构，阻碍Raltegravir 与HIV-1整合酶的结合。而G140突变往往是对Q148突变的一种补偿，可以减少形成helix 结构的概率。
突变导致的蛋白柔性的降低以及二级结构的变化，往往会影响Raltegravir 在HIV-1整合酶口袋位置的结合时间。这些动力学模拟得到的信息，往往对进一步的药物设计有重要的指导意义。
图8 动力学过程中，几种突变蛋白和野生型蛋白三维结构与初始结构比较的RMSD 值随时间的变化情
况。图中的绿色曲线即表示野生型蛋白。