鹅膏毒肽类毒素与RNA聚合酶II相互作用的理论研究

Amanitins, as a kind of peptide toxin, can specially inhibit the activity of RNA polymerase II, which makes them have great value in molecular biology, medical biology, developmental biology，etc. However, it is very difficult to get enough amanitins for experimental study. Thus,theoretical methods have particular advantages to study the interaction mechanism between amanitins and RNA polymerase II. In this study, on the basis of the crystal structure of RNA polymerase II and the reasonable three-dimensional structures of amanitins, molecular docking, molecular dynamics and QM/MM(quantum mechanics/molecular mechanics ) methods can be carried out to study the mechanism between RNA polymerase II and amanitins. We can get many important information including the binding site, binding free energy, binding stability, binding constant, conformational change of amanitins and RNA polymerase II, etc. According to these information, we can find the key substituent of amanitins induced the poisoning, get the interrelationship between the toxity and the structure, and on molecular level, deeply reveal the poisioning mechanism and the interaction mechanism between amanitins and RNA polymerase II. Further, based on the interaction mechanism of amanitins and RNA polymerase II, using the 3D-QSAR(three-Dimensional Quantitative Structure-Activity Relationship) method (including CoMFA and CoMSIA)，the partial structure of amanitins can be modified, considering the tridimensional field, the electrostatic field, the hydrophobic field, and the hydrogen bond field, rational lead compounds will be designed, which will give some assistance in theory to the drug discovery of amanitins.

鹅膏毒肽能够专一性抑制RNA聚合酶Ⅱ的活性，这使其在分子生物学、医学生物学、发育生物学等领域具有重要的研究意义。由于很难获得实验用量的活性鹅膏毒肽样品，采用理论方法研究鹅膏毒肽与RNA聚合酶II的相互作用机制具有独特的优势。该项目在获得鹅膏毒肽及RNA聚合酶II合理构型的基础上，开展分子对接、分子动力学及QM/MM的研究，得到鹅膏毒肽与RNA聚合酶Ⅱ相互作用的结合位点、结合自由能、结合稳定性、结合常数和构象变化等信息，寻找鹅膏毒肽中导致机体中毒的关键基团以及鹅膏毒肽的毒性与结构间的内在关系，进而从分子水平上获得中毒机理，揭示鹅膏毒肽与RNA聚合酶Ⅱ的相互作用机制；在以上研究的基础上，采用3D-QSAR的药物设计方法(包括CoMFA和CoMSIA方法)，对类鹅膏毒肽分子的立体场、静电场、疏水场、氢键场等性质与其生物活性相关联，设计获得理想的先导化合物，为类鹅膏毒肽药物开发提供理论支持。

鹅膏毒肽类毒素是众多剧毒蘑菇中含有的主要毒素，通过对肝脏的损伤导致中毒，现代研究表明鹅膏毒肽类毒素主要是与肝脏中的RNA聚合酶II相互作用导致的中毒，但一直没有从分子水平对各种鹅膏毒肽类毒素的中毒机理进行深入的研究。本项目运用一系列理论方法对9种鹅膏毒肽与RNA聚合酶II的相互作用进行了详细的理论研究：运用量子化学方法和分子动力学方法对9种鹅膏毒肽和RNA聚合酶II的结构进行了系统优化，获得了合理的药物和蛋白的结构用于分子水平上的理论研究；运用分子对接方法、分子动力学方法、QM/MM方法对鹅膏毒肽与RNA聚合酶II的相互作用机制进行了深入的研究，获得了9种鹅膏毒肽与RNA聚合酶II相互作用的结合位点、结合自由能、结合常数、结合稳定性、RNA聚合酶II构象变化等方面的重要信息，深刻阐述了鹅膏毒肽与RNA聚合酶II的相互作用机制及其中毒机理；运用分子对接和3D-QSAR方法进行了初步的药物设计工作，找到了三种理论上毒性较低的鹅膏毒肽类似物，但由于鹅膏毒肽及其类似物合成较为困难还很难应用到实验研究中。通过系统研究鹅膏毒肽类毒素与RNA聚合酶II的相互作用机制，得到9种鹅膏毒肽与RNA聚合酶II相互作用的重要氨基酸残基，结合口袋为一疏水口袋，位于RNA聚合酶II的桥螺旋(Bridge helix)和引发环(Trigger loop)之间，结合的主要作用力为氢键相互作用及疏水相互作用，通过深入分析得到9种鹅膏毒肽毒性差异的根本原因取决于R2取代基的极性，而鹅膏毒肽类毒素与RNA聚合酶II相互作用导致肌体中毒的主要原因是较强的相互作用限制了RNA聚合酶II的桥螺旋(Bridge helix)和引发环(Trigger loop)的运动，导致鹅膏毒肽－RNA聚合酶II体系非常稳定，阻止了mRNA的转录，从而抑制蛋白质的合成，最终导致细胞的死亡。通过对鹅膏毒肽类毒素与RNA聚合酶II相互作用的理论研究获得了9种鹅膏毒肽与RNA聚合酶相互作用的详细机制和中毒机理，为鹅膏毒肽类毒素中毒的治疗和预防、鹅膏毒肽类毒素药物的开发等方面提供了理论依据，并且为食药用菌中其它毒素成分的研究提出了新的方法并进行了有益的探索。