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多药及毒性化合物外排(Multidrugand toxic compound extrusion,MATE)转运体家族通过细胞内先前存在的H+或者Na+离子梯度将内源性阳离子(endogenous cationic)、亲脂性的物质(lipophilic substances)和异型生物质(xenobiotic)驱逐出细胞膜。在肿瘤细胞当中,MATE转运体会排出多种结构以及物理化学性质不同的药物分子。基于这种机制,MATE转运体会引起细菌病原体和肿瘤细胞的多药耐药(multiple-drug resistance,MDR),极大地降低了抗肿瘤药物和抗生素药物对细菌病原体和肿瘤细胞的临床治疗功效。因此,MATE转运体作为一个非常重要的抑制多药耐药的药物作用靶点,已经引起了广泛的关注,对能够抑制MATE转运体功能的抑制剂的寻找和研发已经非常迫切。然而,由于对MATE转运体在分子水平上的工作机制知之甚少,因此,MATE转运体抑制剂的研发还没有取得重大的进展。在本论文中,我们通过分子动力学模拟(Molecular Dynamics simulation)的方法探索了来自强烈火球菌(Pyrococcus furiosus)中的PfMATE转运体的工作机制、活性调节机制、环肽抑制剂(macrocyclic peptides inhibitors)对PfMATE转运体的抑制机理以及环肽抑制剂与PfMATE转运体之间的相互作用模式。本论文第一部分主要研究了在天冬氨酸Asp41不同的质子化状态下,PfMATE转运体的构象调节机制。首先,分子动力学模拟的结果表明PfMATE转运体的构象变化主要发生在胞外域。其次,在Asp41不同的质子化状态下,PfMATE经历了不同的构象调节模式并且形成了不同的构象。在质子化状态下,PfMATE转运体经历了张开运动并且倾向于形成更加朝外张开的构象。在去质子化状态下,PfMATE转运体在分子动力学模拟过程中只存在以转运通道为轴的逆时针旋转运动,而在质子化状态下出现的更加朝外张开的构象并没有出现。该工作在原子水平上描述了在Asp41结合质子时PfMATE转运体的构象调节机制,有助于我们深入理解PfMATE转运体的工作机制。本论文第二部分主要研究了PfMATE转运体的活性调节机制。通过分子模拟方法分析在野生型和M173A/N180A/M206A突变状态下PfMATE转运体的构象调节机制,解释PfMATE转运蛋白的活性调节机制。首先,主成分分析和运动式分析表明与在野生型状态下相比,在M173A/N180A/M206A突变状态下PfMATE转运蛋白在分子动力学模拟过程中经历了不同的构象,表明这些突变影响了PfMATE转运体的运动方式。其次,动态网络分析和动态相关性矩阵分析表明三个单点突变M173A/N180A/M206A破坏了PfMATE转运蛋白正常的构象调节方式,扰乱了PfMATE转运体正常的构象调节路径。本工作关于PfMATE转运体活性调节机制的研究对能够抑制PfMATE转运体转运活性的抑制剂的设计提供了很有价值的线索。本论文第三部分主要研究了环肽抑制剂MaD5对PfMATE转运体的抑制机理。首先,我们叠合了原蛋白体系和抑制剂结合体系在分子动力学模拟过程中的代表性结构,叠合结果从理论上验证了环肽抑制剂MaD5对PfMATE转运体的抑制活性。其次,构象分析和动态网络分析表明环肽抑制剂MaD5阻断了PfMATE转运体正常的构象调节路径。最后,结合能计算结果表明环肽抑制剂MaD5的环状头部和位于PfMATE转运体N端的结合口袋之间的相互作用是环肽抑制剂MaD5和PfMATE转运体有很强结合能力的主要原因。该工作在理论上解释了MaD5的抑制机理,对设计和筛选出更具潜力的环肽抑制剂有重要的意义。本论文的第四部分研究了环肽抑制剂与PfMATE转运蛋白的相互作用模式。基于分子动力学模拟、结合自由能计算、残基能量分解等方法,我们对环肽抑制剂和PfMATE转运体的相互作用机制提出了新的认识。能量计算结果表明PfMATE转运体活性位点的极性氨基酸在结合环肽抑制剂时扮演着关键的作用,而氢键相互作用和静电相互作用是这些极性氨基酸和环肽抑制剂分子之间的关键相互作用。其中PfMATE转运体的Gln34和Arg284与环肽抑制剂分子尤其是MaD5分子之间有很强的静电相互作用。另外,PfMATE转运体活性位点的疏水性残基在结合环肽抑制剂时也起到比较重要的作用。值得注意的是在本工作中我们从理论上提出了一个与PfMATE转运体结合能力更强的环肽抑制剂的骨架,同时指出PfMATE转运体蛋白的Gln34和Arg284是在进行骨架设计时需要关键考虑的残基。总之,本论文通过分子动力学模拟方法研究了多药转运体PfMATE的工作机制、活性调节机制、环肽抑制剂对PfMATE转运体的抑制机理以及环肽抑制剂与PfMATE的结合模式。这些研究对我们进一步研究PfMATE转运体的多药耐药(MDR)机理并针对MATE转运体为靶标设计新的更有效的抑制剂具有非常重要的意义。