蛋白激酶CK2是一种真核细胞中普遍存在的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,与神经退行性病变、炎症和肿瘤等严重威胁人类健康的疾病密切相关,以其为靶点的抗肿瘤药物研发具有重要的临床应用价值和良好的应用前景。CK2全酶是由催化亚基α和调节亚基β构成的四聚体结构,对CK2激酶的生物学功能和结构稳定性至关重要。CK2抑制剂分为ATP竞争性抑制剂和阻断CK2α与CK2β亚基结合的抑制剂等。ATP竞争性抑制剂主要通过疏水和极性作用,定位于由疏水区、铰链区和正电区组成的激酶活性位点。环肽抑制剂作用于CK2α/CK2β结合位点,可有效干扰α与β亚基结合进而抑制CK2活性,已成为CK2抑制剂新的研究热点。本论文围绕CK2抑制剂开展了作用机制研究以及先导化合物的结构优化设计,为靶向CK2抑制剂的研发提供了理论依据和实验指导。ATP竞争性抑制剂三环喹啉类化合物已进入临床II期研究,可有效治疗多种实体肿瘤并展现了良好的药物代谢动力学特性。应用分子对接和三维定量构效关系和分子动力学模拟方法,针对一系列三环喹啉类化合物,构建了三维定量构效关系模型并阐释了此类化合物的结合模式。结果表明,三环喹啉类化合物的羧酸和吡啶取代基,分别与CK2α活性位点的正电区和铰链区形成极性作用,保证了此类化合物的高抑制活性。在化合物的骨架中,引入氢键供体基团和吸电子基团,可以增强化合物与铰链区和正电区的相互作用,提高化合物的CK2抑制活性。研究揭示了三环喹啉类化合物的作用模式及关键基团,同时基于CK2α活性位点结构,提出了针对此类化合物的结构优化修饰方案,为三环喹啉类化合物的结构设计提供了新的优化思路。为探究三环喹啉类化合物羧酸和吡啶基团的改变导致其抑制活性降低的结构机制,应用分子对接、分子动力学模拟和能量分析方法进行了系统深入的分析。结果表明,羧酸取代基变为非可电离基团或其位置发生改变时,化合物将无法与正电区残基形成稳定或合理的极性作用。而吡啶基团的氮原子变为氢原子或位置改变时,将导致化合物无法与铰链区残基形成氢键。两个关键基团的改变明显影响了化合物与CK2的结合模式,进而导致三环喹啉类化合物的CK2激酶抑制活性降低。化合物与CK2α结合模式的改变,还会诱导CK2α的柔性区域(C-loop,G-loop和β4/β5 loop)发生构象改变。研究证明了羧酸和吡啶基团是保证三环喹啉类化合物抑制活性的关键基团,揭示了该类化合物与CK2α之间无序的相互作用诱导CK2α柔性区域构象改变的结构机制,可为高活性CK2-ATP竞争性抑制剂的设计优化提供理论指导。7-羟基香豆素衍生物也是一类CK2-ATP竞争性抑制剂,且因具有较强抗肿瘤细胞增殖和抗氧化生物活性,成为重要的抗癌先导化合物。为提高此类化合物的抑制活性,基于不同类别ATP竞争性抑制剂与CK2的结合模式,针对7-羟基香豆素骨架结构,定向铰链区极性残基,设计优化并合成了氟代-7-羟基香豆素衍生物。生物活性评价结果表明,8-氯-7-羟基-4-三氟甲基香豆素具有较高的CK2抑制活性(IC50=0.4μM)和良好的抗肺癌细胞A549的增殖能力(IC50=20.15μM)。其抑制活性明显优于类似物8-氯-7-羟基-4-甲基香豆素(CK2抑制活性为IC50=2.2μM,A549抑制活性为IC50=29.26μM)。研究提出了针对7羟基香豆素类化合物的优化修饰方案,获得了兼具抗肿瘤细胞增殖能力和CK2激酶抑制活性的新型7-羟基香豆素衍生物,为以往单一作用模式CK2抑制剂的优化改造提供了一定的理论和实验指导。相对于传统ATP竞争性抑制剂而言,新型环肽抑制剂(Pc)可有效干扰α与β亚基的相互作用(IC50=3.0μM),从而间接抑制CK2对底物的磷酸化。环肽热点残基(Tyr188和Phe190)的突变会导致环肽抑制活性的明显降低(IC50>>100μM)。为了探究热点残基突变导致环肽抑制活性降低的结构机制,分别对野生型体系和两个突变复合物体系(Y188A和F190A)进行100纳秒长时分子动力学模拟,并结合主成分分析、动态相关性矩阵和自由能计算等方法对三个体系进行了深入的分析。结果表明,环肽与CK2α间形成了有序的疏水和极性相互作用网络,氢键主要维持环肽结构稳定以及环肽与CK2α的结合定位,而极性和疏水作用主要维持环肽残基与CK2α残基间的相互作用。两个突变体系中,有序的相互作用网络均遭到了不同程度的破坏,从而导致环肽抑制活性降低。在Y188A体系中,环肽与CK2α之间的关键氢键消失以及疏水作用减弱导致了环肽活性的降低。在F190A体系中,环肽结构稳定性的降低以及环肽与CK2α之间的重要疏水作用消失,使得环肽对CK2抑制活性显著降低。研究揭示了环肽关键残基突变导致CK2α与环肽亲和力下降的结构机制,证明了环肽与CK2α之间的有序疏水和极性相互作用网络是保证环肽抑制活性的关键,并成功识别了负责环肽结合与定位的关键作用残基,可为高活性干扰CK2α/CK2β相互作用抑制剂优化设计提供一定的指导。综上所述,论文采用多种分子模拟方法深入系统地探究了ATP竞争性抑制剂以及阻断CK2α/CK2β相互作用抑制剂的结合模式和作用机理,提出了抑制剂的结构优化修饰方案,获得了兼具抗肿瘤细胞增殖能力和CK2激酶抑制活性的新型7-羟基香豆素衍生物。上述研究为靶向CK2-ATP抑制剂先导化合物,以及CK2α/CK2β相互作用抑制剂的研发提供了理论支持和实验指导。