靶向p21活化激酶1（PAK1）是胰腺癌治疗的新策略。复方苦参注射液中含有多种抗胰腺癌成分，但具体作用靶点未知。本研究基于分子对接的虚拟筛选发现，复方苦参注射液中的14α-羟基苦参碱与PAK1的别构调节位点具有较高的结合自由能。分子动力学模拟发现，14α-羟基苦参碱使PAK1的α1和α2螺旋向外延伸形成一个较深的别构调节口袋，同时诱导三磷酸腺苷（ATP）结合口袋处的β-折叠向内关闭，导致ATP结合口袋处于“半闭合”状态而失活。当去除14α-羟基苦参碱后，PAK1从失活构象向活性构象转变，因此推测，14α-羟基苦参碱可能是PAK1的可逆别构调节抑制剂。本研究采用现代技术方法对中药活性成分进行研究，为天然产物的开发利用及寻找新的胰腺癌治疗方案奠定基础。
引用本文： 林琳, 常静杰, 田耀洲, 陈姣. 计算机辅助复方苦参注射液中抑制p21活化激酶1的活性成分预测及分子机制研究. 生物医学工程学杂志, 2024, 41(2): 313-320. doi: 10.7507/1001-5515.202306011 复制
0 引言
胰腺癌作为“癌中之王”，发现难、进展快、致死率高[1]。现有药物的局限性以及逐渐升高的死亡率促使人们不断寻求更有效的胰腺癌治疗方案。p21活化激酶1（p21-activated kinase 1，PAK1）是一类非受体型丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，研究发现其在多种癌症组织（如胰腺癌、乳腺癌、肺癌、皮肤癌等）中均出现高表达及活化[2-5]。活化的PAK1参与调控多条信号通路，如通过磷酸化B细胞淋巴瘤2（B cell lymphoma-2，Bcl-2）蛋白相关死亡促进因子（Bcl-2–associated agonist of cell death，BAD）阻止其与Bcl-2结合从而抑制细胞凋亡；通过磷酸化膜突蛋白—埃兹蛋白—根蛋白样蛋白（moesin-ezrin-radixin–like protein，Merlin）使其从细胞膜表面移位而抑制其功能，同时也会促进细胞外调节蛋白激酶信号通路的激活；通过磷酸化β-连环蛋白（β-catenin）促进其进入细胞核并发挥转录活性而调控无翅和整合-1（Wingless and integration-1，WNT）蛋白/β‑catenin信号通路，上调髓细胞增生蛋白和细胞周期蛋白D的表达；PAK1还能激活磷脂酰肌醇3-激酶信号通路，上调缺氧诱导因子1α的表达等[6-8]。由此可见，PAK1在细胞的增殖、存活、迁移及血管生成等相关信号通路中发挥中枢作用，这给靶向PAK1治疗相关癌症提供了科学依据。
前期研究发现，临床上胰腺癌患者的肿瘤组织中PAK1的表达水平明显高于相邻的正常胰腺组织；而且，低表达PAK1的胰腺癌患者总生存期明显长于高表达PAK1的患者，说明PAK1的表达水平影响胰腺癌的发展、预后及生存周期[9]。其他多项研究也证实，PAK1在胰腺癌组织样本及细胞株中均出现高表达[2-3, 10-11]；抑制PAK1的活性能够抑制胰腺癌细胞的生长及存活，促进细胞凋亡，并且能够提高胰腺癌细胞对吉西他滨的敏感性[12-13]。以上研究均说明，靶向PAK1可以作为胰腺癌治疗的新手段，将给胰腺癌患者带来新的曙光。
复方苦参注射液是一种从苦参和土茯苓中提取的活性物质组成的复方制剂，临床上用于辅助治疗各种癌症，包括胰腺癌、肝癌、食管癌等[14-17]，与常规化疗药联用能增强抗肿瘤疗效，降低化疗毒性，提高患者的生活质量。体外实验表明，复方苦参注射液的多种有效成分能抑制胰腺癌细胞增殖、侵袭和转移，促进细胞凋亡并诱导自噬[18-19]，还能增强胰腺癌耐药细胞株对化疗药的敏感性[20]，但具体作用靶点是否为PAK1仍然未知。鉴于PAK1在胰腺癌细胞的增殖、迁移和凋亡等相关信号通路中发挥的中枢作用，本研究将基于分子对接的虚拟筛选和分子动力学（molecular dynamics, MD）模拟预测复方苦参注射液中靶向PAK1的抑制剂并研究其机制，为天然活性成分的开发利用及寻找新的胰腺癌治疗方案奠定基础。
1 材料与方法
本研究采用计算机辅助药物设计软件Schrödinger 2015-3（Schrödinger，LLC，美国）进行分子对接、中药活性数据库的构建和靶标蛋白结构的准备，采用MD模拟软件Amber 14（University of California，美国）进行体系准备、MD模拟及数据分析，采用分子可视化软件PyMOL 1.7.4（Schrödinger，LLC，美国）作图。
1.1 复方苦参注射液活性成分数据库的构建
西北农林科技大学开发和维护的公开中药系统药理学（traditional Chinese medicine systems pharmacology，TCMSP）分析平台收集了499种中药、29 384种成分。本研究通过TCMSP平台检索苦参和土茯苓的活性成分，建立复方苦参注射液活性成分数据库。在Schrödinger 2015-3软件的配体准备模块中对数据库的小分子进行质子化及能量优化。
1.2 靶标蛋白PAK1结构的获取和预处理
本研究使用的人源PAK1与别构调节抑制剂结合的复合物结构下载自美国罗格斯大学和加州大学圣地亚哥分校–圣地亚哥超级计算机中心创建的公开蛋白质数据库（protein data bank，PDB），PDB编号为4ZJJ。该数据库是国际上最完整的蛋白质三维结构数据库，包含了214 226种实验测定的三维结构和1 068 577种计算预测的结构模型。将PAK1的结构导入Schrödinger 2015-3软件对其进行质子化及能量优化。定义结构中已知抑制剂（S）-N-（叔丁基）-3-（（2-氯-5-乙基-8-氟-二苯二氮卓-11-基）氨基）吡咯烷-1-甲酰胺的结合位点为虚拟筛选位点，生成格点文件，用于复方苦参注射液中靶向PAK1抑制剂的虚拟筛选。
1.3 基于分子对接的虚拟筛选
在Schrödinger 2015-3软件的分子对接模块Glide（Schrödinger, LLC，美国）中进行PAK1抑制剂的虚拟筛选，对接打分采用标准精度，对接后进行能量优化。计算苦参和土茯苓中对接打分排前10名的分子与PAK1的广义玻恩和表面积相结合的分子力学能量（molecular mechanics energies combined with the generalized Born and surface area，MM/GBSA）。选取与PAK1的MM/GBSA结合自由能最高的分子，采用MD模拟方法研究其抑制PAK1的机制。
1.4 MD模拟
结构准备：将以下三个体系进行MD模拟：① 筛选到的抑制剂与PAK1结合的结构；② PAK1的结构；③ 三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）与PAK1结合的活性构象结构（PDB编号: 3Q53）。体系准备方法参考本课题组以前发表的文献[21]。
MD模拟：在Amber 14软件中，首先基于最陡下降法和共轭梯度法对各体系进行两步能量最小化，以减少原子间的不良接触。之后在恒容条件下，控制时间于450 ps内，将体系温度由− 273 ℃升至27 ℃，限制常数设为10.0 kcal/(mol·Å-2)。然后解除限制，在恒温（27 ℃）恒压（100 000 Pa）下进行500 ps的MD模拟以平衡体系。最后，设定步长为2 fs进行300 ns的MD模拟，其他参数设置参考文献[21]。
数据分析：使用Amber 14软件的轨迹数据分析模块cpptraj（University of California，美国）计算均方根偏差（root-mean-square deviation，RMSD）、RMSD矩阵和原子之间的距离。使用PyMOL 1.7.4软件的模式向量分析脚本modevectors.py（Schrödinger，LLC，美国）可视化两个指定体系之间的运动方向。
2 结果
2.1 构建复方苦参注射液活性成分数据库
复方苦参注射液是由苦参和土茯苓按照7∶3比例提取的活性成分组成。苦参的主要化学成分是生物碱类和黄酮类，土茯苓的主要化学成分包括甾醇类、黄酮（苷）类和挥发油类等。通过TCMSP平台检索苦参和土茯苓中已报道的化学结构，其中苦参中检索到113个分子，土茯苓中检索到74个分子，主要成分类型如表1所示。
表1
苦参和土茯苓中的主要成分类型
Table1.
The types of the main components in Sophorae Flavescentis Radix and Smilacis Glabrae Rhizoma
2.2 14α-羟基苦参碱与PAK1具有较高的结合自由能
PAK1别构调节抑制剂具有高选择性、高活性的特点，本研究基于分子对接方法从复方苦参注射液中虚拟筛选出能别构调节PAK1的活性成分。从苦参和土茯苓中分别筛选出对接打分排前10名的分子，如表2所示。计算这些分子与PAK1的结合自由能MM/GBSA，发现苦参中与PAK1结合自由能最高的分子是14α-羟基苦参碱[TCMSP编号：分子（molecule，MOL）006561]，MM/GBSA为− 49.13 kcal/mol；土茯苓中与PAK1结合自由能最高的分子是异黄杞苷（TCMSP编号：MOL004567），MM/GBSA为− 49.24 kcal/mol，如表2所示。
表2
对接打分排前10名的成分及其与PAK1的结合自由能MM/GBSA
Table2.
The components with the top 10 docking scores and their binding free energies of MM/GBSA with PAK1
由于苦参生物碱类分子是复方苦参注射液质量控制的主要成分，且含量较高[22]，因此选取苦参中与PAK1结合自由能最高的分子—14α-羟基苦参碱，研究其抑制PAK1的结构生物学机制。如图1所示，PAK1的别构调节位点位于ATP结合位点的背对位置，14α-羟基苦参碱结合于PAK1的别构调节位点，与第299位的赖氨酸（lysine299，K299）和407位的天冬氨酸（aspartic acid407，D407）形成氢键作用，与第318位的缬氨酸（valine318，V318）、319位的甲硫氨酸（methionine319，M319）、327位的异亮氨酸（isoleucine327，I327）、328位的缬氨酸（valine328，V328）、344位的甲硫氨酸（methionine344，M344）、380位的亮氨酸（leucine380，L380）和385位的缬氨酸（valine385，V385）等氨基酸形成疏水作用。14α-羟基苦参碱和用于定义虚拟筛选位点的别构调节抑制剂（S）-N-（叔丁基）-3-（（2-氯-5-乙基-8-氟-二苯二氮卓-11-基）氨基）吡咯烷-1-甲酰胺（对PAK1具有高抑制活性和选择性）与PAK1的结合模式在氢键作用上略有差异，表现在后者与PAK1的K299和第315位的谷氨酸（glutamic acid315，E315）形成氢键作用，其他作用模式类似[23]。
图1
14α-羟基苦参碱与PAK1的结合模式
Figure1.
The binding mode of 14α-hydroxymatrine with PAK1
2.3 14α-羟基苦参碱将PAK1锁定在失活的“半闭合”构象
为研究14α-羟基苦参碱抑制PAK1的分子机制，将14α-羟基苦参碱与PAK1结合的复合物结构（PAK1_14α-羟基苦参碱）进行300 ns的MD模拟，以PAK1与ATP结合的活性PAK1体系（PAK1_ATP）为对照。RMSD结果如图2所示，50 ns之后14α-羟基苦参碱和两个体系中的PAK1均达到平衡状态。第408位的苯丙氨酸（phenylalanine408，F408）和E315是PAK1的别构调节口袋中分别靠内、外两侧的关键氨基酸，二者之间的距离可以反映别构调节口袋的大小和深度。通过MD模拟发现，14α-羟基苦参碱与PAK1结合之后，形成被14α-羟基苦参碱抑制的PAK1，其中PAK1的α1和α2螺旋向外延伸，使得E315和F408的α碳原子（Cα）之间（E315@Cα—F408@Cα）的距离（15.53 Å）明显大于PAK1_ATP活性构象中E315@Cα—F408@Cα的距离（4.60 Å），如图2、表3所示。并且，PAK1_14α-羟基苦参碱结构中F408的侧链苯环发生转向，由伸向别构调节位点一侧转到伸向ATP结合位点一侧，说明14α-羟基苦参碱诱导PAK1形成一个较深的别构调节口袋以便更好地与之结合，而PAK1_ATP的活性构象中别构调节口袋则较浅，不易结合小分子药物。
图2
MD模拟分析PAK1_14α-羟基苦参碱和PAK1_ATP体系的别构调节位点
Figure2.
Analysis of the allosteric site in PAK1_14α-hydroxymatrine and PAK1_ATP systems by MD simulations
表3
250~300 ns的MD轨迹中E315@Cα—F408@Cα和T283@Cα—F408@Cα的平均距离分析
Table3.
Analysis of the mean distances of E315@Cα—F408@Cα and T283@Cα—F408@Cα in the 250~300 ns MD trajectories
第283位的苏氨酸（threonine283，T283）和F408是PAK1的ATP口袋中的两个关键氨基酸，它们之间的距离能反映ATP结合口袋的开放程度。通过MD模拟发现，14α-羟基苦参碱的结合使PAK1的ATP结合口袋处的β-折叠向内关闭，导致T283@Cα—F408@Cα的距离（7.69 Å）明显小于PAK1_ATP活性构象中T283@Cα—F408@Cα的距离（17.32 Å），如图3、表3所示，使ATP结合口袋处于“半闭合”状态。此外，14α-羟基苦参碱的结合使PAK1的F408的侧链苯环转向ATP结合口袋一侧，导致ATP结合口袋变浅，不易与ATP结合而使PAK1失活，如图3所示。
图3
MD分析PAK1_14α-羟基苦参碱和PAK1_ATP体系中的ATP结合位点
Figure3.
Analysis of the ATP binding site in PAK1_14α-hydroxymatrine and PAK1_ATP systems by MD simulations
2.4 去除14α-羟基苦参碱使PAK1向活性构象转变
为了验证以上预测，本研究将14α-羟基苦参碱从PAK1_14α-羟基苦参碱复合物中去除（PAK1_去除［14α-羟基苦参碱］），通过MD模拟研究PAK1的构象变化。如图4的RMSD矩阵分析所示，去除14α-羟基苦参碱之后，PAK1的构象发生了一系列变化。分析关键氨基酸之间的距离发现，去除14α-羟基苦参碱之后，PAK1的E315@Cα—F408@Cα的距离明显减小（10.81 Å），而T283@Cα—F408@Cα的距离有所增加（8.40 Å），如图4、表3所示，说明PAK1的别构调节口袋变小，而ATP结合口袋变大。将PAK1_去除［14α-羟基苦参碱］和PAK1_14α-羟基苦参碱的结构进行叠合，采用模式向量分析发现，去除14α-羟基苦参碱之后，别构调节位点处的α1和α2螺旋明显向酶的中心结构靠拢，而ATP结合位点处的β-折叠有向外开放的趋势，如图4所示。这些结果均说明，去除14α-羟基苦参碱之后，PAK1逐渐从失活构象向活性构象转变。
图4
MD模拟PAK1_去除[14α-羟基苦参碱]体系的别构调节位点和ATP结合位点的变化
Figure4.
The changes of the allosteric site and ATP binding site of PAK1_remove[14α-hydroxymatrine] system by MD simulations
3 讨论
胰腺癌具有发现难、进展快、预后不良的特点，临床诊疗迫切需要更好的生物标志物和潜在的药物靶点。PAK1在多种人类肿瘤组织中过度表达和（或）过度激活[24]，调节复杂的信号转导网络。多项研究表明，PAK1是调控胰腺癌细胞生长的关键因子，其表达水平影响胰腺癌的发展、预后及生存周期；抑制PAK1的活性能够抑制胰腺癌细胞的生长及存活，促进细胞凋亡[3-7]。因此，PAK1被认为是一个潜在的胰腺癌治疗靶点，目前已有一些抑制剂正在研发。
复方苦参注射液在临床上被广泛用于辅助治疗恶性肿瘤及腹腔积液等并发症，其活性成分苦参生物碱已被证实具有抗胰腺癌活性，能抑制多种胰腺癌细胞的增殖、迁移和侵袭，诱导细胞凋亡[25-27]，还能增强胰腺癌耐药细胞株对化疗药的敏感性[20]，但具体作用靶点未知。鉴于PAK1在胰腺癌发生、发展中的重要作用，本研究筛选了复方苦参注射液中可能靶向PAK1的活性成分。结果发现，14α-羟基苦参碱与PAK1的别构调节位点具有较高的结合自由能，作用的关键氨基酸主要有K299、D407、V318、M319、I327、M344、L380和V385等。
通常，别构调节抑制剂具有高选择性、高活性的特点，它们结合于酶的非催化位点，引起酶的构象发生可逆改变，进而改变酶的活性状态。本研究通过MD模拟进一步研究了14α-羟基苦参碱抑制PAK1的结构生物学机制。发现14α-羟基苦参碱与PAK1结合之后，别构调节位点的α1和α2螺旋向外延伸，F408和E315之间的距离增大，并且F408的侧链苯环由别构调节位点一侧转向ATP结合位点一侧，使得PAK1形成一个较深的别构调节口袋，从而更好地结合小分子药物。同时，14α-羟基苦参碱诱导PAK1的ATP结合口袋处的β-折叠向内关闭，使得T283和F408之间的距离减小，导致PAK1的ATP结合口袋处于“半闭合”状态。此外，F408的侧链苯环转向ATP结合口袋一侧，使ATP结合口袋变浅而不易结合ATP，导致PAK1失活。
将14α-羟基苦参碱从PAK1中去除，通过MD模拟发现PAK1的构象发生了一系列变化。别构调节位点处F408和E315之间的距离明显减小，而ATP结合位点处T283和F408之间的距离有所增加。结构叠合后的模式向量分析发现，去除14α-羟基苦参碱之后，别构调节位点处的α1和α2螺旋向PAK1的中心结构靠拢，而ATP结合位点处的β-折叠有向外开放的趋势。这些结果均说明，去除14α-羟基苦参碱之后，PAK1从失活构象向活性构象转变，提示14α-羟基苦参碱可能是一个可逆的PAK1别构调节抑制剂。
综上所述，本研究通过虚拟筛选和MD模拟发现，复方苦参注射液中的14α-羟基苦参碱可能是PAK1的别构调节抑制剂，能诱导ATP结合口袋处于“半闭合”状态而使PAK1失去酶活性。本研究可为天然活性成分的开发利用及寻找新的胰腺癌治疗方案奠定基础。
重要声明
利益冲突：所有作者均声明不存在利益冲突。
作者贡献声明：林琳、常静杰和陈姣共同负责本研究中数据库的构建、分子对接和分子动力学模拟，陈姣和田耀洲负责数据分析指导，林琳、陈姣负责论文写作与修改。
0 引言
胰腺癌作为“癌中之王”，发现难、进展快、致死率高[1]。现有药物的局限性以及逐渐升高的死亡率促使人们不断寻求更有效的胰腺癌治疗方案。p21活化激酶1（p21-activated kinase 1，PAK1）是一类非受体型丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，研究发现其在多种癌症组织（如胰腺癌、乳腺癌、肺癌、皮肤癌等）中均出现高表达及活化[2-5]。活化的PAK1参与调控多条信号通路，如通过磷酸化B细胞淋巴瘤2（B cell lymphoma-2，Bcl-2）蛋白相关死亡促进因子（Bcl-2–associated agonist of cell death，BAD）阻止其与Bcl-2结合从而抑制细胞凋亡；通过磷酸化膜突蛋白—埃兹蛋白—根蛋白样蛋白（moesin-ezrin-radixin–like protein，Merlin）使其从细胞膜表面移位而抑制其功能，同时也会促进细胞外调节蛋白激酶信号通路的激活；通过磷酸化β-连环蛋白（β-catenin）促进其进入细胞核并发挥转录活性而调控无翅和整合-1（Wingless and integration-1，WNT）蛋白/β‑catenin信号通路，上调髓细胞增生蛋白和细胞周期蛋白D的表达；PAK1还能激活磷脂酰肌醇3-激酶信号通路，上调缺氧诱导因子1α的表达等[6-8]。由此可见，PAK1在细胞的增殖、存活、迁移及血管生成等相关信号通路中发挥中枢作用，这给靶向PAK1治疗相关癌症提供了科学依据。
前期研究发现，临床上胰腺癌患者的肿瘤组织中PAK1的表达水平明显高于相邻的正常胰腺组织；而且，低表达PAK1的胰腺癌患者总生存期明显长于高表达PAK1的患者，说明PAK1的表达水平影响胰腺癌的发展、预后及生存周期[9]。其他多项研究也证实，PAK1在胰腺癌组织样本及细胞株中均出现高表达[2-3, 10-11]；抑制PAK1的活性能够抑制胰腺癌细胞的生长及存活，促进细胞凋亡，并且能够提高胰腺癌细胞对吉西他滨的敏感性[12-13]。以上研究均说明，靶向PAK1可以作为胰腺癌治疗的新手段，将给胰腺癌患者带来新的曙光。
复方苦参注射液是一种从苦参和土茯苓中提取的活性物质组成的复方制剂，临床上用于辅助治疗各种癌症，包括胰腺癌、肝癌、食管癌等[14-17]，与常规化疗药联用能增强抗肿瘤疗效，降低化疗毒性，提高患者的生活质量。体外实验表明，复方苦参注射液的多种有效成分能抑制胰腺癌细胞增殖、侵袭和转移，促进细胞凋亡并诱导自噬[18-19]，还能增强胰腺癌耐药细胞株对化疗药的敏感性[20]，但具体作用靶点是否为PAK1仍然未知。鉴于PAK1在胰腺癌细胞的增殖、迁移和凋亡等相关信号通路中发挥的中枢作用，本研究将基于分子对接的虚拟筛选和分子动力学（molecular dynamics, MD）模拟预测复方苦参注射液中靶向PAK1的抑制剂并研究其机制，为天然活性成分的开发利用及寻找新的胰腺癌治疗方案奠定基础。
1 材料与方法
本研究采用计算机辅助药物设计软件Schrödinger 2015-3（Schrödinger，LLC，美国）进行分子对接、中药活性数据库的构建和靶标蛋白结构的准备，采用MD模拟软件Amber 14（University of California，美国）进行体系准备、MD模拟及数据分析，采用分子可视化软件PyMOL 1.7.4（Schrödinger，LLC，美国）作图。
1.1 复方苦参注射液活性成分数据库的构建
西北农林科技大学开发和维护的公开中药系统药理学（traditional Chinese medicine systems pharmacology，TCMSP）分析平台收集了499种中药、29 384种成分。本研究通过TCMSP平台检索苦参和土茯苓的活性成分，建立复方苦参注射液活性成分数据库。在Schrödinger 2015-3软件的配体准备模块中对数据库的小分子进行质子化及能量优化。
1.2 靶标蛋白PAK1结构的获取和预处理
本研究使用的人源PAK1与别构调节抑制剂结合的复合物结构下载自美国罗格斯大学和加州大学圣地亚哥分校–圣地亚哥超级计算机中心创建的公开蛋白质数据库（protein data bank，PDB），PDB编号为4ZJJ。该数据库是国际上最完整的蛋白质三维结构数据库，包含了214 226种实验测定的三维结构和1 068 577种计算预测的结构模型。将PAK1的结构导入Schrödinger 2015-3软件对其进行质子化及能量优化。定义结构中已知抑制剂（S）-N-（叔丁基）-3-（（2-氯-5-乙基-8-氟-二苯二氮卓-11-基）氨基）吡咯烷-1-甲酰胺的结合位点为虚拟筛选位点，生成格点文件，用于复方苦参注射液中靶向PAK1抑制剂的虚拟筛选。
1.3 基于分子对接的虚拟筛选
在Schrödinger 2015-3软件的分子对接模块Glide（Schrödinger, LLC，美国）中进行PAK1抑制剂的虚拟筛选，对接打分采用标准精度，对接后进行能量优化。计算苦参和土茯苓中对接打分排前10名的分子与PAK1的广义玻恩和表面积相结合的分子力学能量（molecular mechanics energies combined with the generalized Born and surface area，MM/GBSA）。选取与PAK1的MM/GBSA结合自由能最高的分子，采用MD模拟方法研究其抑制PAK1的机制。
1.4 MD模拟
结构准备：将以下三个体系进行MD模拟：① 筛选到的抑制剂与PAK1结合的结构；② PAK1的结构；③ 三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）与PAK1结合的活性构象结构（PDB编号: 3Q53）。体系准备方法参考本课题组以前发表的文献[21]。
MD模拟：在Amber 14软件中，首先基于最陡下降法和共轭梯度法对各体系进行两步能量最小化，以减少原子间的不良接触。之后在恒容条件下，控制时间于450 ps内，将体系温度由− 273 ℃升至27 ℃，限制常数设为10.0 kcal/(mol·Å-2)。然后解除限制，在恒温（27 ℃）恒压（100 000 Pa）下进行500 ps的MD模拟以平衡体系。最后，设定步长为2 fs进行300 ns的MD模拟，其他参数设置参考文献[21]。
数据分析：使用Amber 14软件的轨迹数据分析模块cpptraj（University of California，美国）计算均方根偏差（root-mean-square deviation，RMSD）、RMSD矩阵和原子之间的距离。使用PyMOL 1.7.4软件的模式向量分析脚本modevectors.py（Schrödinger，LLC，美国）可视化两个指定体系之间的运动方向。
2 结果
2.1 构建复方苦参注射液活性成分数据库
复方苦参注射液是由苦参和土茯苓按照7∶3比例提取的活性成分组成。苦参的主要化学成分是生物碱类和黄酮类，土茯苓的主要化学成分包括甾醇类、黄酮（苷）类和挥发油类等。通过TCMSP平台检索苦参和土茯苓中已报道的化学结构，其中苦参中检索到113个分子，土茯苓中检索到74个分子，主要成分类型如表1所示。
表1
苦参和土茯苓中的主要成分类型
Table1.
The types of the main components in Sophorae Flavescentis Radix and Smilacis Glabrae Rhizoma
2.2 14α-羟基苦参碱与PAK1具有较高的结合自由能
PAK1别构调节抑制剂具有高选择性、高活性的特点，本研究基于分子对接方法从复方苦参注射液中虚拟筛选出能别构调节PAK1的活性成分。从苦参和土茯苓中分别筛选出对接打分排前10名的分子，如表2所示。计算这些分子与PAK1的结合自由能MM/GBSA，发现苦参中与PAK1结合自由能最高的分子是14α-羟基苦参碱[TCMSP编号：分子（molecule，MOL）006561]，MM/GBSA为− 49.13 kcal/mol；土茯苓中与PAK1结合自由能最高的分子是异黄杞苷（TCMSP编号：MOL004567），MM/GBSA为− 49.24 kcal/mol，如表2所示。
表2
对接打分排前10名的成分及其与PAK1的结合自由能MM/GBSA
Table2.
The components with the top 10 docking scores and their binding free energies of MM/GBSA with PAK1
由于苦参生物碱类分子是复方苦参注射液质量控制的主要成分，且含量较高[22]，因此选取苦参中与PAK1结合自由能最高的分子—14α-羟基苦参碱，研究其抑制PAK1的结构生物学机制。如图1所示，PAK1的别构调节位点位于ATP结合位点的背对位置，14α-羟基苦参碱结合于PAK1的别构调节位点，与第299位的赖氨酸（lysine299，K299）和407位的天冬氨酸（aspartic acid407，D407）形成氢键作用，与第318位的缬氨酸（valine318，V318）、319位的甲硫氨酸（methionine319，M319）、327位的异亮氨酸（isoleucine327，I327）、328位的缬氨酸（valine328，V328）、344位的甲硫氨酸（methionine344，M344）、380位的亮氨酸（leucine380，L380）和385位的缬氨酸（valine385，V385）等氨基酸形成疏水作用。14α-羟基苦参碱和用于定义虚拟筛选位点的别构调节抑制剂（S）-N-（叔丁基）-3-（（2-氯-5-乙基-8-氟-二苯二氮卓-11-基）氨基）吡咯烷-1-甲酰胺（对PAK1具有高抑制活性和选择性）与PAK1的结合模式在氢键作用上略有差异，表现在后者与PAK1的K299和第315位的谷氨酸（glutamic acid315，E315）形成氢键作用，其他作用模式类似[23]。
图1
14α-羟基苦参碱与PAK1的结合模式
Figure1.
The binding mode of 14α-hydroxymatrine with PAK1
2.3 14α-羟基苦参碱将PAK1锁定在失活的“半闭合”构象
为研究14α-羟基苦参碱抑制PAK1的分子机制，将14α-羟基苦参碱与PAK1结合的复合物结构（PAK1_14α-羟基苦参碱）进行300 ns的MD模拟，以PAK1与ATP结合的活性PAK1体系（PAK1_ATP）为对照。RMSD结果如图2所示，50 ns之后14α-羟基苦参碱和两个体系中的PAK1均达到平衡状态。第408位的苯丙氨酸（phenylalanine408，F408）和E315是PAK1的别构调节口袋中分别靠内、外两侧的关键氨基酸，二者之间的距离可以反映别构调节口袋的大小和深度。通过MD模拟发现，14α-羟基苦参碱与PAK1结合之后，形成被14α-羟基苦参碱抑制的PAK1，其中PAK1的α1和α2螺旋向外延伸，使得E315和F408的α碳原子（Cα）之间（E315@Cα—F408@Cα）的距离（15.53 Å）明显大于PAK1_ATP活性构象中E315@Cα—F408@Cα的距离（4.60 Å），如图2、表3所示。并且，PAK1_14α-羟基苦参碱结构中F408的侧链苯环发生转向，由伸向别构调节位点一侧转到伸向ATP结合位点一侧，说明14α-羟基苦参碱诱导PAK1形成一个较深的别构调节口袋以便更好地与之结合，而PAK1_ATP的活性构象中别构调节口袋则较浅，不易结合小分子药物。
图2
MD模拟分析PAK1_14α-羟基苦参碱和PAK1_ATP体系的别构调节位点
Figure2.
Analysis of the allosteric site in PAK1_14α-hydroxymatrine and PAK1_ATP systems by MD simulations
表3
250~300 ns的MD轨迹中E315@Cα—F408@Cα和T283@Cα—F408@Cα的平均距离分析
Table3.
Analysis of the mean distances of E315@Cα—F408@Cα and T283@Cα—F408@Cα in the 250~300 ns MD trajectories
第283位的苏氨酸（threonine283，T283）和F408是PAK1的ATP口袋中的两个关键氨基酸，它们之间的距离能反映ATP结合口袋的开放程度。通过MD模拟发现，14α-羟基苦参碱的结合使PAK1的ATP结合口袋处的β-折叠向内关闭，导致T283@Cα—F408@Cα的距离（7.69 Å）明显小于PAK1_ATP活性构象中T283@Cα—F408@Cα的距离（17.32 Å），如图3、表3所示，使ATP结合口袋处于“半闭合”状态。此外，14α-羟基苦参碱的结合使PAK1的F408的侧链苯环转向ATP结合口袋一侧，导致ATP结合口袋变浅，不易与ATP结合而使PAK1失活，如图3所示。
图3
MD分析PAK1_14α-羟基苦参碱和PAK1_ATP体系中的ATP结合位点
Figure3.
Analysis of the ATP binding site in PAK1_14α-hydroxymatrine and PAK1_ATP systems by MD simulations
2.4 去除14α-羟基苦参碱使PAK1向活性构象转变
为了验证以上预测，本研究将14α-羟基苦参碱从PAK1_14α-羟基苦参碱复合物中去除（PAK1_去除［14α-羟基苦参碱］），通过MD模拟研究PAK1的构象变化。如图4的RMSD矩阵分析所示，去除14α-羟基苦参碱之后，PAK1的构象发生了一系列变化。分析关键氨基酸之间的距离发现，去除14α-羟基苦参碱之后，PAK1的E315@Cα—F408@Cα的距离明显减小（10.81 Å），而T283@Cα—F408@Cα的距离有所增加（8.40 Å），如图4、表3所示，说明PAK1的别构调节口袋变小，而ATP结合口袋变大。将PAK1_去除［14α-羟基苦参碱］和PAK1_14α-羟基苦参碱的结构进行叠合，采用模式向量分析发现，去除14α-羟基苦参碱之后，别构调节位点处的α1和α2螺旋明显向酶的中心结构靠拢，而ATP结合位点处的β-折叠有向外开放的趋势，如图4所示。这些结果均说明，去除14α-羟基苦参碱之后，PAK1逐渐从失活构象向活性构象转变。
图4
MD模拟PAK1_去除[14α-羟基苦参碱]体系的别构调节位点和ATP结合位点的变化
Figure4.
The changes of the allosteric site and ATP binding site of PAK1_remove[14α-hydroxymatrine] system by MD simulations
3 讨论
胰腺癌具有发现难、进展快、预后不良的特点，临床诊疗迫切需要更好的生物标志物和潜在的药物靶点。PAK1在多种人类肿瘤组织中过度表达和（或）过度激活[24]，调节复杂的信号转导网络。多项研究表明，PAK1是调控胰腺癌细胞生长的关键因子，其表达水平影响胰腺癌的发展、预后及生存周期；抑制PAK1的活性能够抑制胰腺癌细胞的生长及存活，促进细胞凋亡[3-7]。因此，PAK1被认为是一个潜在的胰腺癌治疗靶点，目前已有一些抑制剂正在研发。
复方苦参注射液在临床上被广泛用于辅助治疗恶性肿瘤及腹腔积液等并发症，其活性成分苦参生物碱已被证实具有抗胰腺癌活性，能抑制多种胰腺癌细胞的增殖、迁移和侵袭，诱导细胞凋亡[25-27]，还能增强胰腺癌耐药细胞株对化疗药的敏感性[20]，但具体作用靶点未知。鉴于PAK1在胰腺癌发生、发展中的重要作用，本研究筛选了复方苦参注射液中可能靶向PAK1的活性成分。结果发现，14α-羟基苦参碱与PAK1的别构调节位点具有较高的结合自由能，作用的关键氨基酸主要有K299、D407、V318、M319、I327、M344、L380和V385等。
通常，别构调节抑制剂具有高选择性、高活性的特点，它们结合于酶的非催化位点，引起酶的构象发生可逆改变，进而改变酶的活性状态。本研究通过MD模拟进一步研究了14α-羟基苦参碱抑制PAK1的结构生物学机制。发现14α-羟基苦参碱与PAK1结合之后，别构调节位点的α1和α2螺旋向外延伸，F408和E315之间的距离增大，并且F408的侧链苯环由别构调节位点一侧转向ATP结合位点一侧，使得PAK1形成一个较深的别构调节口袋，从而更好地结合小分子药物。同时，14α-羟基苦参碱诱导PAK1的ATP结合口袋处的β-折叠向内关闭，使得T283和F408之间的距离减小，导致PAK1的ATP结合口袋处于“半闭合”状态。此外，F408的侧链苯环转向ATP结合口袋一侧，使ATP结合口袋变浅而不易结合ATP，导致PAK1失活。
将14α-羟基苦参碱从PAK1中去除，通过MD模拟发现PAK1的构象发生了一系列变化。别构调节位点处F408和E315之间的距离明显减小，而ATP结合位点处T283和F408之间的距离有所增加。结构叠合后的模式向量分析发现，去除14α-羟基苦参碱之后，别构调节位点处的α1和α2螺旋向PAK1的中心结构靠拢，而ATP结合位点处的β-折叠有向外开放的趋势。这些结果均说明，去除14α-羟基苦参碱之后，PAK1从失活构象向活性构象转变，提示14α-羟基苦参碱可能是一个可逆的PAK1别构调节抑制剂。
综上所述，本研究通过虚拟筛选和MD模拟发现，复方苦参注射液中的14α-羟基苦参碱可能是PAK1的别构调节抑制剂，能诱导ATP结合口袋处于“半闭合”状态而使PAK1失去酶活性。本研究可为天然活性成分的开发利用及寻找新的胰腺癌治疗方案奠定基础。
重要声明
利益冲突：所有作者均声明不存在利益冲突。
作者贡献声明：林琳、常静杰和陈姣共同负责本研究中数据库的构建、分子对接和分子动力学模拟，陈姣和田耀洲负责数据分析指导，林琳、陈姣负责论文写作与修改。
