AI-2型细菌群体感应抑制剂的设计、合成及活性研究

摘要

群体感应是细菌通过分泌一种称为自诱导剂的信号分子(autoinducer，AI)来感应细菌种群密度及周围环境变化，进而调控相关基因的表达，从而协调细菌生物功能的一种信息交流机制。目前发现群体感应与细菌多种行为有关，如生物发光、生物膜的形成、毒力因子的释放、抗生素的产生、孢子的形成、细菌的接合、细菌的群集运动等。
　　 在当前的抗菌药物研发中，耐药性已成为一个不容忽视的严重问题。传统的抗菌药是干扰细菌中重要的生命过程来抑制或杀死细菌，此种抗菌药的最大缺点就是容易产生耐药性。因此寻找新靶点、新作用机制、开发新型抗菌药物，是生物学和医学研究领域的紧迫课题之一。群体感应抑制剂与传统抗菌药的作用机制不同，它是通过抑制细菌群体感应调控的致病行为（如毒力因子的释放），从而降低细菌的传染能力，但不会杀死细菌，因此细菌抗药性的风险会大大降低。
　　 由于群体感应与细菌的诸多生理活性有关，故而深入了解细菌群体感应的调控机制，可以为细菌感染疾病提供全新的治疗手段或药物。AI-2广泛存在与革兰阳性菌和革兰阴性菌中，被称为细菌种间信息交流的信号分子，因此研究阻断AI-2型细菌群体感应的抑制剂将成为下一代广谱抗菌药的研究方向。值得关注的是，AI-2的受体蛋白LuxPQ蛋白只存在于细菌中，并且在哺乳动物体内无相应蛋白和同源家族存在，所以针对LuxPQ蛋白的抑制剂具有高度的选择性和特异性，而且不易产生对人体的毒副作用。另外目前大多数抑制剂的设计主要针对LuxP蛋白而设计的，但是研究发现单体状态下的LuxP在与LuxQ形成复合物LuxPQ后，其构象会发生改变，进而触发AI-2型群体感应，因此以LuxPQ为靶点进行AI-2型群体感应抑制剂的设计比以LuxP为靶点更为精确，但针对LuxPQ进行药物设计研究至今尚未见任何报道。
　　 本课题选定AI-2型群体感应的受体蛋白——LuxPQ蛋白为靶标，采用CHARMM分子动力学软件，对芳基呋喃类先导化合物AN-465/43369623和AH-262/34399019与LuxPQ蛋白的复合物结构进行分子动力学模拟;同时运用DS/HipHop软件进行抑制剂药效团模型的构建，以得到关键的药效基团结合Lipinski五倍律类药性原则和药物的ADMET性质等方面的依据，再进行先导化合物结构的合理改造与优化，设计并合成了三氮唑、呋喃和咪唑系列共78小分子群体感应抑制剂。
　　 我们选用哈氏弧菌MM32型菌株对78个化合物进行活性测试，活性结果显示大多数化合物对哈氏弧菌MM32型菌株AI-2型群体感应具有抑制作用，其中呋喃系列中的11h和11d活性超过了阳性对照KM-03009（IC50=8.9±1.7μM），其IC50分别为7.4±1.7和8.8±2.9μM。三氮唑和咪唑系列化合物相对于阳性对照活性相当，其中活性较好的化合物5k和91的IC50值为阳性对照的1.5倍，咪唑化合物19zd、19y、19o和19t的IC50值分别是阳性对照的1.23倍、1.34倍、1.35倍和1.48倍。另外我们还对呋喃系列中活性较好的化合物进行细菌毒性测试，结果显示大部分所测化合物对细菌的生长没有影响，仅有化合物13a、11d、13k和13m对细菌的生长具有一定的毒性。
　　 我们还运用CoMFA技术对所测化合物进行三维定量构效关系研究，以便指导下一步化合物结构优化与合成，期望得到更高活性和更强选择性的新型AI-2型群体感应抑制剂。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 AI-2的生物合成

1．3 AI-2群体感应抑制剂与其作用靶点

1．3．1 MTAN酶抑制剂

1．3．2 AI-2合成酶LuxS抑制剂

1．3．3 AI-2受体蛋白抑制剂

1．3．4 DPD类似物抑制剂

1．3．5 其他抑制剂

1．4 结语

第二章 目标化合物的设计

2．1 基于结构合理药物设计

2．2 基于配体分子设计

2．2．1 先导化合物与LuxPQ受体蛋白结合模式的研究

2．2．2 目标化合物的合理设计

第三章 目标化合物的合成

3．1 三氮唑系列目标化合物的合成

3．1．1 合成路线

3．1．2 实验部分

3．2 呋喃系列目标化合物的合成

3．2．1 合成路线

3．2．2 实验部分

3．3 咪唑系列目标化合物的合成

3．3．1 合成路线

3．3．2 实验部分

第四章 活性测试

4．1 哈氏弧菌AI-2型群体感应抑制活性测定

4．1．1 原理

4．1．2 材料与方法

4．2 抑制活性结果

4．2．1 三氮唑系列化合物的结构及活性结果

4．2．2 呋喃系列化合物的结构及活性结果

4．2．3 咪唑系列化合物的结构及活性结果

4．3 目标化合物对哈氏弧菌生长毒性试验

4．3．1 原理

4．3．2 材料与方法

4．3．2 实验结果

4．4 定量关系研究

4．4．1 三氮唑系列化合物CoMFA研究

4．4．2 呋喃系列化合物CoMFA研究

4．5 总结

第五章 总结与展望

致谢

参考文献

附录

附录Ⅰ硕士期间发表的论文

附录Ⅱ化合物的ESI-MS，1H-NMR图谱

学位论文评阅及答辩情况表