第一章 前言
肝细胞核因子 4 受体是细胞核受体超家族中的孤核受体亚家族成员之一，其自身共有 α、β 和 γ 三种亚型，但是 β 亚型只在非洲爪蟾（Xenopus laevis）体内有发现, α 和 γ 亚型同源性非常高，在哺乳动物体内表达丰富。HNF4α 是 HNF4 的重要亚型，参与体内多种基因的转录和表达，包括碳水化合物和脂质代谢、肝细胞分化、肝脏功能维持、肝脏排毒以及胆汁酸的合成，血清蛋白的生产等相关基因。HNF4α 基因表达及功能的紊乱与糖尿病、肝纤维化、脂肪肝、肝癌等疾病的发生密切相关。例如，人 HNF4α基因 P2 启动子突变能够引起体内明显的胰岛素抵抗，导致青年发病成人型糖尿病（ MODY1 ），HNF4α 应答原件的突变能够导致血友病和 MODY3。HNF4γ参与调控肠上皮细胞表型的改变以及慢性炎症的过程，其表达或功能的异常会诱导溃疡性结肠炎等疾病。研究发现正常分化成熟的肝细胞中 HNF4α 高表达，而在各种慢性肝病如肝纤维化、肝癌等进程中其表达量下调。外源性导入 HNF4α基因能够逆转肝纤维化、上调肝细胞相关功能基因的表达，并显著诱导肝脏肿瘤细胞的凋亡。由此可以看出，HNF4α 基因的活化能够预防肝纤维化、肝癌等慢性疾病的恶化，促进肝脏相关功能基因的正常表达，治疗多种慢性肝脏疾病。因此 HNF4α 激动剂的发现与研究将为开发治疗以上各类疾病的新型药物提供可靠的理论依据。HNF4 自发现以来，就被认为是组成型激活核受体，转录调控功能不依赖配体的结合，因此将其列为孤核受体亚家族。然而结构分析显示该蛋白包含有亲脂性配体结合区，而且 HNF4α 和 γ 蛋白晶体结构中都包含有长链脂肪酸配体。所以，目前 HNF4 被认为是一个新型的药物靶点，可通过改变其转录活性调控某些特定基因的转录和表达，用以治疗因其功能紊乱所诱导的多种临床疾病。本文首先同源模建鼠源 HNF4γ 蛋白的三维结构模型，通过 PDB 检索下载获得人源 HNF4γ、人源及鼠源 HNF4α 蛋白晶体结构。利用计算机辅助的药物筛选方法从 ZINC 数据库下的 ZDD，ZMD，ZIM 三个亚数据库中筛选得出两个有效的小分子化合物 ZINC04026555 和 ZINC00577115，经分子对接实验证实这两个激动剂与相应蛋白的结合能力远高于晶体结构中包含的长链脂肪酸。于是认为，我们所筛选出的这两个小分子化合物能够作为 HNF4α 和 HNF4γ 的有效激动剂，启动这两个基因的转录激活功能。为以 HNF4α 和 HNF4γ 蛋白为靶标的新药研发给予启示。
1.1 细胞核受体超家族简介
细胞核受体超家族是一类非常丰富的存在于后生动物（如脊椎动物 vertebrates、节肢动物 arthropods、线虫类 nematodes等）体内的细胞内转录因子，它们参与调控生物体内细胞增殖与分化、能量代谢、生长发育、繁殖等多项生命活动。在高等真核生物中，转录机制集成一套完整的内部和外部细胞信号，通过 不同的途径传递至细胞核内，调控每个生命活动的进行。各种细胞信号之间往往相互干扰，致使每个基因得到充分的表达。核受体组成已知的最大的真核转录调控因子超家族[1]。细胞核受体（Nuclear receptors，NRs）通过配体激活，建立转录应答机制，调控特定基因的表达。核受体功能异常或其调控的基因表达紊乱会导致一系列疾病的产生，如糖尿病、代谢综合征、许多癌症等。由于细胞核受体以配体依赖的方式调控特定基因的转录和表达，故而作为一类重要的药物设计靶点越来越受到广大研究人员的重视。近年来，关于细胞核受体家族成员的研究日趋火热，研究成果可观。细胞核受体的激动剂或者拮抗剂已被广泛用于避孕、抗炎症反应、预防骨质疏松症，及皮肤病、癌症等多种疾病的治疗。目前临床上用于改善 II 型糖尿病人体内胰岛素敏感性的噻唑烷二酮类（TZD）药物就是细胞核受体成员PPARγ 的激动剂。细胞核受体自发现至今只有二十多年历史，但其发展迅速。1985 年，Hollenberg 等人克降了第一个细胞核受体—糖皮质激素受体（Glucocorticoidreceptor） 的 cDNA，开启了细胞核受体的发现与研究[2]。随着细胞核受体的研究发展，1999 年，国际药理学委员会和受体命名与药物分类联合会专门成立细胞核受体命名委员会（Nuclear Receptors Nomenclature Committee），对细胞核受体提出系统的命名法则[5]。依照序列同源性，细胞核受体可分为 6 类，以 1，2，3，4，5，6 表示，其余归为 0，每一类亚家族分为 A，B，C……若干组[4]。研究表明，细胞核受体的配体都是亲脂性小分子，如类固醇激素、类花生酸类物质、羟固醇、胆酸、脂肪酸、甲状腺激素、维生素 D、蜕化素、9-顺式和全部反式视黄酸、氧化甾醇、前列腺素 J2、白三烯 B4、法呢醇代谢产物等均可作为配体分子结合相应的细胞核受体。另外，根据配体是否已知或是否能够结合相应配体，可将细胞核受体分为三类：一类是配体未知的细胞核受体，称为孤儿核受体或孤核受体（Orphan nuclear receptors (ONRs)）[3]，如 HNF4、ROR、SHP 等；一类是已知其天然配体的细胞核受体（The adopted ONRs），如 MR、VDR 等；一类是典型的内分泌细胞核受体（The classical endocrine NRs）。探寻孤核受体的配体对于了解该受体的转录调控作用具有重要意义，为进一步发现新的药物靶点提供重要依据。
第二章 鼠源HNF4γ (mHNF4γ)的结构预测和构象评估
2.1 引言
HNF4基因高度保守，是组成型激活细胞核受体，具有细胞核受体典型的五个区域，即A/B区（包含AF-1）、DNA结合区、配体结合区（包含AF-2区）、C区铰链、F区。经检索发现人源及鼠源的HNF4α蛋白以及人源的HNF4γ蛋白晶体结构已知，而鼠源HNF4γ(mHNF4γ)蛋白结构未知。人源HNF4γ与鼠源HNF4γ蛋白同源性很高，通过同源模建的方法能够准确预测mHNF4γ蛋白的三维结构模型。同源模建是基于模板的建模方法，能够根据已知的蛋白质的氨基酸序列预测目的蛋白的三维结构。常用的同源模建软件有Discovery Studio、SWISS-model、PredictProtein 、Jpred 等。本章利用Discovery Studio软件模建mHNF4γ蛋白的三维结构模型，为后续小分子化合物激动剂的虚拟筛选提供受体蛋白模型。
2.2 实验方法
目前有很多软件及方法可以根据蛋白质的一级序列预测蛋白质三维空间结构。本论文使用Discovery Studio软件进行同源模建，构建鼠源HNF4γ(mHNF4γ)蛋白的三维结构模型。具体用到MODELER、Ramachandran plot和Profiles-3D等程序。
第三章 HNF4 激动剂的虚拟筛选......26
3.1 引言.........26
3.2.1 实验方法 .......27
3.2.1.1 获取及准备小分子化合物 .......27
3.2.1.2 HNF4 蛋白活性位点的预测 .....27
3.2.2.3 准备受体分子文件并设置Grid参数 ....27
3.2.2.4 启动AutoDock Vina 进行激动剂....28
3.2.3 结果讨论 .......28
3.2.3.1 HNF4 活性位点的预测.......28
3.2.3.3 HNF4 虚拟筛选结果.....29
3.3 HNF4 激动剂的分子对接......30
3.3.1 实验方法 .......30
3.3.2 结果讨论 .......31
3.3.2.1 HNF4 与对照药的分子对接 .....31
3.3.2.2 HNF4 与筛选出的小分子分子对接 .....32
3.4 本章小结 .......38
第四章 结论.....40
结论
本论文以人源和鼠源的孤核受体家族成员HNF4中的HNF4α和 HNF4γ为靶标，通过用计算机辅助的同源模建、虚拟筛选、分子对接等方法研究其有效激动剂。经BLAST检索，人源HNF4α和 HNF4γ以及鼠源的HNF4α蛋白已知其晶体结构，且三者的晶体结构中包含有天然的小分子，这为我们虚拟筛选及分子对接实验提供了阳性对照药物。鼠源HNF4γ蛋白没有晶体结构，只能通过同源模建对其三维结构进行预测和模拟。通过BLAST进行同源序列搜索，发现人源的HNF4γ与其蛋白序列同源性最高。利用Discovery Studio软件中的MODELER程序构建了HNF4γ的三维结构模型，所构建的结构模型与其模板蛋白的晶体结构相似，包含有13个螺旋，2个折叠和15个转角。再通过 Ramachandran plot和Profiles-3D程序对所构建的蛋白三维结构模型进行评估，根据两个不同程序对模型的打分确定所构建的蛋白模型结构稳定、合理。
本文以ZINC数据库中ZDD，ZMD，ZIM三个亚数据库为虚拟筛选的小分子化合物文库。这些小分子化合物共计30000个，但是经过分析发现其中有许多重复。合并、处理后建立本实验所用的包含17,000个小分子化合物的文库，进行虚拟筛选。利用AutoDock Vina软件从所构建的小分子化合物库中筛选人源和鼠源的HNF4α及HNF4γ蛋白激动剂。由于人源与鼠源的HNF4α以及人源与鼠源的HNF4γ具有高保守性，尤其是配体结合区，因此筛选结果得到两个物种的最优化合物相同。通过分子对接方法检测筛选所得的两个小分子化合物与靶蛋白的相互作用效果。利用Autodock软件充分考虑受体-配体复合物的整体结构，对受体蛋白质及小分子化合物进行电荷、原子类型及二面角等计算。Autodock软件输出的复合物的亲和能值发现，筛选所得的两个小分子化合物与靶蛋白的结合力比其晶体结构中包含的天然配体强。本文通过计算机技术从17000个小分子化合物中筛选出了HNF4α及HNF4γ蛋白的小分子激动剂，经分子对接实验鉴定这两个小分子化合物的确能够结合到相应的HNF4α及HNF4γ蛋白的配体结合区，激活它们。
参考文献
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