文 献 综 述

一、课题的研究意义和研究背景

细胞周期素依赖性激酶（cyclin-dependent kinases，CDKs）是由丝氨酸/苏氨酸介导的激酶，单体无活性，需要与调节亚基家族成员细胞周期蛋白（cyclins）结合，形成功能性的异质二聚体复合物才具有活性^{[1, 2]}，主要驱动细胞周期进程或者调控细胞内基因的转录。截止到目前为止，真核细胞中已经发现有20多个CDKs，与对应的周期蛋白cyclins几乎有相同的数目。CDK1，CDK2，CDK4和CDK6直接参与细胞循环过程（G1期、S期，G2期和M期），被认为是细胞循环过程的主要调控因子。目前已发现的参与细胞周期调控主要有三大类分子：细胞周期依赖性激酶(CDKs)，细胞周期蛋白(cyclins，后面简写为Cyc)，CDK抑制蛋白(cyclin-dependent kinases inhibitors，CKIs)，其中CDK处于核心地位。真核细胞的增殖分裂是一个精确而复杂的调控过程。增殖过程是通过细胞周期来完成的，而细胞周期的有序进行有其严格的分子调控机制。CDKs、Cyclins和CKI共同调节细胞周期进程，其中一个出现问题，就会造成调节紊乱，就会导致细胞不可控地增殖分裂，导致癌症或肿瘤或神经类疾病的发生。因此CDK/cyclin复合物成为研究癌症等疾病的重要靶标。

细胞周期素依赖性激酶2（CDK2）与CycA结合活化CDK2激酶，促进细胞周期循环的G1-S和G2-M期的转变^[3]，同时影响叉头样基因FoxM1和FoxK2的转录；与CycE结合活化CDK2使其达到G1期的末期，并促进G1-S期的转变^[4]。CDK4与CycD结合能控制细胞循环的G1期和Rb/E2F的转录，通过Mep50表观遗传调控。抑制NDR家族激酶中的NDR1/2激酶，几乎可以完全破坏CycD1 K112E，促进G1/S期转换的功能。CDK2/CycA和CDK4/CycD1复合物能够通过与CDK2和CDK4的催化亚基的磷酸化作用激活其他蛋白质，从而引发癌症（乳腺癌和肺癌等）^{[5, 6]}。

CDK2是CDKs家族中研究最早的激酶，其X射线晶体结构早在1995年就已被Jeffrey等人^[1]发现，由PDB蛋白质数据库可知，目前由实验工作者得到的CDK2晶体结构已经有447个。而CDK4最早是2009年被Day^[7]和Takaki^[8]等人发现的，晶体结构为9个。实验结果表明与CDK4相比，CDK2能与更多的底物结合，能磷酸化更多的蛋白质。因此一些不具有选择性的抑制剂与激酶结合会导致细胞毒性，目前CDK2抑制剂已夭折于临床实验。通过靶向CDK2和CDK4的底物阻止蛋白质-蛋白质相互作用则可以得到选择性CDK抑制剂。抑制剂结合在细胞周期蛋白的功能性细胞周期蛋白结合槽（CBG），理论上能够选择性抑制CDK2和CDK4，避免转录调控发生，因此细胞周期蛋白槽抑制剂能够避免ATP竞争性CDK抑制剂的缺点。^{[9, 10]}实验证明具有较高潜力的多肽抑制剂能够抑制CDK的活性，即具有抗癌活性，为非ATP竞争性靶标提供了依据^[11]。

CDKs抑制剂主要用于抑制细胞周期过程，现已开发了CDK2或CDK4和CDK6抑制剂。其中，CDK2和CDK4抑制剂可能成为有效的癌症治疗药物。CDK复合物在生物学多方面具有重要作用，包括增殖控制和转录。非选择性CDK抑制剂的临床试验结果是令人失望的，故研究选择性CDK抑制剂则显得必要。

二、前人的研究工作

蒋勇军等人^[12]用了分子动力学取样的方法，运用MM-PBSA/GBSA方法计算了 CDK2-NU6102复合物的复合自由能。通过能量散解的方法观察了CDK2大分子与配体NU6102之间的关系，采用MM-PBSA和GBSA两种方法，通过600 ps的分子动力学取样，计算了CDK2和NU6102复合物的结合作用能，发现计算结果很好地和实验值相吻合。研究表明范德华作用和非极性溶剂化能是形成复合物的主要驱动力，能量分解很好地阐明了 CDK2和配体的作用模式，揭示了影响配体结合 亲和力的重要残基，为进一步设计高效的小分子抑制剂提供了信息。

段莉莉等人^[13]用分子动力学模拟和MM-PBSA相结合方法计算了HIV蛋白酶和抑制剂的结合自由能，并且运用能量分解的方法考察了蛋白酶主要残基与抑制剂之间的相互作用。GBSA方法计算了各个残基对能量的贡献。体系在真空的静电能和范德华能主导了蛋白酶和药物的结合，残基ASP124，GLY49，ASH25和GLY48与药物的相互作用是蛋白酶和药物结合的主要驱动力。

杨丽君等人^[14]用MM-PBSA方法研究了CDK2活性口袋内溶剂水分子对CDK2-配体复合物结合自由能的影响。结果表明，活性口袋内溶剂水分子对CDK2-配体相互作用自由能有一定的贡献，其贡献的大小随配体不同而有所差异，导致这种差异的主要原因是活性位点内溶剂水分子与蛋白残基和配体之间形成了不同的氢键相互作用网络。研究表明当考虑活性位点内的溶剂水分子时，计算得到的蛋白质-配体相互作用自由能与对应配体的IC₅₀值具有更好的相关性。这个结果一方面表明我们计算模型和方法的有效性，另一方面说明考虑活性位点内溶剂水分子对准确计算蛋白质-配体相互作用自由能是非常重要的。