锌指核酸酶与DNA相互作用的理论研究

作     者：周大刚 

作者单位：郑州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：唐明生;朱艳艳

授予年度：2013年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0703[理学-化学] 

主      题：锌指蛋白 DNA 密度泛函理论 B3LYP M05 能垒 锌指核酸酶 

摘      要：由于金属核酸酶小分子对DNA具有较好的切割性,越来越多的人们开始关注和设计此类核酸酶小分子。人们逐渐的发现虽然其对DNA有着很高的切割能力,但是它们的选择特异性很差,在切割病态DNA的同时对正常的DNA也有很大的威胁。为此人们迫切需要一种选择特异性好的核酸酶,此时锌指蛋白的出现为这个问题的解决带来了曙光。锌指蛋白不仅能够识别不同的DNA碱基序列,而且能够稳定的结合在DNA的大沟中。在锌指蛋白的帮助下,金属核酸酶小分子不仅通过对附近糖环中氢的抽取实现了对DNA的特异性切割,而且还具有识别特定DNA碱基序列的功能。这引起了广大研究者的兴趣。 在本论文中,主要做了以下三部分工作： 一.采用分子对接方法研究了锌指蛋白识别结合DNA的主要影响因素。通过改变DNA序列来考察锌指蛋白对DNA结合强弱的影响。通过对两者结合能的监测,发现当第一个锌指结合位点的碱基序列由GCCC改变为第二个锌指所识别的碱基序列CCGC时导致其结合能的降低,而当改变为第三个锌指所识别的CCCC碱基序列时,其结合能也随之降低。但是对比两个突变的碱基序列CCGC和CCCC时,发现后面三个碱基序列是紧相连着的C碱基时,其结合能要高于含G序列的。因此得出第一个锌指在识别的过程中侧重于识别其天然存在的GCCC序列,而后再识别CCGC和CCCC这两个序列。 二.锌指核酸酶是通过连接域把锌指蛋白和人工设计的金属核酸酶小分子连接起来,锌指核酸酶不仅能够识别特定的DNA,还能促进DNA的解离。然而,由于目前在实验上很多锌指核酸酶的晶体结构很难得到,这样就限制了锌指核酸酶和DNA相互作用的理论研究。在本文中,通过HADDOCK软件来预测锌指蛋白核酸酶Sp1-Cu(BPA)和DNA的结合模式;然后进行了一个25ns的分子动力学模拟。模拟的结果表明Spl的氨基酸残基和DNA碱基通过氢键等作用力稳定的作用在DNA大沟中,Cu(BPA)在模拟的过程中能稳定的作用于DNA小沟内,其方位对抽取邻近糖环上的氢是有利的,使得金属核酸酶小分子Cu(BPA)能够在特定区域促进DNA分子的断裂。这些计算结果说明,DNA识别剂的锌指蛋白的引入,很好地提升含铜核酸酶的DNA切割特异性。 三.本部分主要研究了两个有机反应机理。第一个反应是芳基叠氮化合物和二丁基三氟甲磺酸酯反应生成N-烷基化苯胺的反应。实验上合成N-烷基化苯胺有很多方法,但是这些方法需要的实验条件都是比较苛刻的,不是在高温下就是使用有毒的或者腐蚀性的烷基化试剂。本文对Nagula教授提出的反应机理用密度泛函的理论进行计算,来验证其的正确性。对所有的反应物,过渡态,中间体和产物结构都在DFT理论中B3LYP/6-31+G(d,p)的水平下进行优化以确保所的结果的正确性,并对所有过渡态进行了IRC的计算,以确保过渡态是连接着预期的反应物和产物。计算结果表明,叠氮化物在二烷基三氟甲磺酸酯的作用下,不仅能够比较好的得到预期产物,而且反应条件温和,在室温下反应能发生。这些计算结果对设计新的反应提供了理论上的支持和帮助。第二个反应是多组分合成多取代的中氮茚。由于中氮茚衍生物在具有生物活性的天然产物中关键的亚基结构,有机荧光材料和药物物质等方面的广泛应用而引起了人们对其的极大重视。多组分反应在有机化学,合成化学和药物化学领域是一种强有力的和高效率的成键工具,三组分反应已经被证明是一种来合成中氮茚衍生物的比较直接的方法。Zhenjun Mao研究组采用吡啶、苯甲酰甲基溴和乙基乙醛酸为反应物,以乙腈为溶剂研究通过简洁和高效的四组分串联方法来合成多取代中氮茚衍生物,反应涉及到吡啶盐的叶立德形成,a,β-不饱和酮以及后面的1,3-偶极环加成反应和芳构化反应。所有的反应物,过渡态,中间体和产物的结构都在M05/6-31+G(d,p)的水平下进行优化。通过对反应的研究不仅可以揭示反应的机理,还可以进一步为新反应的设计提供理论的指导。