DNA氧化损伤产物酶催化反应机理的QM/MM分子动力学模拟

The deamination reaction of 8-oxoguanine (8-oxoG) catalyzed by 8-oxoguanine deaminase (8-oxoGD) plays a critically important role in the DNA repair activity for oxidative damage. In order to elucidate the enzymatic catalysis mechanisms from the perspective of the 8-oxoguanine binding, departure of 2-hydroxy-1H-purine-6,8 (7H,9H)-dione from active site, and formation of 8-oxoxanthine processes, a combined QM/MM molecular dynamics simulation has been performed, and the proton transfer mechanism for 8-oxoxanthine forming was further discussed. On the other hand, as 8-oxoguanine is the fastest to be deaminated among the three substrates which are also supported by the experimental kinetic constants, comparative simulations on the deamination of guanine and isocytosine has been simulated. It would be illuminating to investigate the catalytic mechanism of this process at the atomic level by recognizing the acquired information and insights for further understanding of the DNA repair mechanism of oxidative damage.

8-氧鸟嘌呤是DNA受到活性氧自由基攻击后形成频率最高、致突变性最强的氧化损伤产物。这种损伤会引起碱基的错误配对，使DNA序列产生突变，从而导致肿瘤的发生发展、机体细胞的老化及某些退行性疾病。在目前所有关于鸟嘌呤脱氨酶的报道中，没有一种可以迅速催化8-氧鸟嘌呤脱氨，8-氧鸟嘌呤脱氨酶的催化反应机理在理论计算领域也从未被报道过。这使8-氧鸟嘌呤脱氨酶催化8-氧鸟嘌呤脱氨的机理蒙上了一层神秘的面纱。本项目拟通过QM/MM结合分子动力学的方法模拟整个8-氧鸟嘌呤水解脱氨形成8-氧黄嘌呤并进一步开环形成尿酸的反应过程，并着重讨论颇具争议的质子转移细节，提出加快反应速率的方案，最终为设计具有更高催化活性的DNA碱基脱氨酶突变体和阐明DNA氧化损伤修复的反应机理提供有力的理论支持，在生物和化学领域都具有十分重要的意义。

本项目采用QM(PM3)/MM结合MD的方法系统研究了8-氧鸟嘌呤脱氨酶(8-oxoGD)催化8-氧鸟嘌呤脱氨形成8-氧黄嘌呤的反应过程，着重讨论了8-氧黄嘌呤形成时的质子转移步骤。结果表明，脱氨反应是吸热的，与Zn配位的羟基亲核进攻8-oxoG的过程为速率控制步骤，Asp347在酶与底物结合步骤中起到了关键的质子转移中转站作用。通过分析自由能能垒和过渡态蛋白环境之间的关系，我们提出将Trp115、Trp123、Leu119突变为侧链较小的残基（如将色氨酸突变为组氨酸或苯丙氨酸，将亮氨酸突变为丙氨酸），可以减少蛋白环境与底物之间的氢键并帮助底物靠近活性中心，从而降低反应能垒。本项目的结果不仅为设计具有更高催化速率的8-oxoGD突变体提供了有力的理论依据，还为DNA氧化损伤的修复提供了新的思路。在该自然科学基金项目的支持下，本课题组结合部分前期研究工作，将研究领域拓展至相关催化过程，共发表SCI论文7篇，初步摸索出采用QM/MM MD模拟生物酶反应过程的方法，初步形成了天然酶脱氨过程的理论基础。