计算机辅助药物设计方法对HMGR、ThyX、MurF和抗氧化剂四体系的研究

摘要

计算机辅助药物设计(computer-aideddrugdesign，CADD)不仅能够大大降低药物开发中的投资，节省有限的实验资源，减少盲目的浪费，而且还可以大大缩短药物开发的周期。近年来，CADD的理论和方法取得了突飞猛进的发展，已经从原来的基础理论研究发展成为一门综合实用的学科，成为国际上十分活跃的研究领域，被国外许多制药公司用于新药的研究与开发，取得了极大的成功。CADD在整个药物设计与开发过程中起着枢纽和指导作用，特别是伴随着组合化学技术和生命科学研究的深入、人类基因组计划的完成，CADD在新药研究特别是先导化合物的发现和优化中发挥着越来越重要的作用。 本论文利用计算机辅助药物设计的方法对HMG-CoA还原酶(HMGR)抑制剂、幽门螺旋杆菌胸苷酸合成酶ThyX抑制剂、D-Ala-D-Ala添加酶MurF抑制剂和抗氧化剂四个体系进行了理论研究，全文共分为三个部分： 第一部分HMG-CoA还原酶抑制剂的计算机辅助药物设计研究HMGR是降血脂药物设计的重要靶标，抑制该酶的活性可以有效地降低血浆总胆固醇水平，从而降低心脑血管疾病的发病几率。虽然已经开发了数种他汀类药物作为HMGR抑制剂应用于临床，但是他汀类药物的安全性特别是长期服用的安全性一直备受关注。本论文中，我们综合利用了直接药物设计方法和间接药物设计方法进行了HMGR抑制剂的研究。 在直接药物设计中，我们首先建立了HMGR抑制剂的虚拟筛选模型，通过重复晶体结构、对比对接打分和化合物的活性之间的相关性等方法验证了模型的可靠性。然后，利用这些模型对specs商品化合物数据库和中国天然产物数据库进行了虚拟筛选，以期发现化合物的结构和作用机制均为全新的抑制剂。另外我们还通过活性位点分析的方法，分析了HMGR底物结合腔的形状和表面特性，为确定HMGR抑制剂的药效基团、先导化合物的优化奠定了基础。 在间接药物设计中，首先利用CoMFA和CoMSIA两种三维定量构效关系研究方法研究了一组HMGR抑制剂的定量构效关系，得到了各种分子场(立体、静电、疏水、氢键)在三维空间的有利位置。从结果的统计数据上看，所建立的3D-QSAR模型具有很好的预测能力，对测试集化合物的活性预测结果和实验结果有很好的相关性。在细致地分析了各类药物与HMGR的具体的氢键、疏水相互作用后，结合活性位点分析和3D-QSAR的研究结果，我们总结了HMGR抑制剂的药效基团模型，并提出了可行的HMGR抑制剂的设计方案，为全新HMGR抑制剂的设计和先导化合物的优化提供了可靠的信息。 第二部分幽门螺旋杆菌胸苷酸合成酶ThyX抑制剂的设计ThyX是继ThyA之后发现的第二类胸苷酸合成酶，存在于多种太古代生物和人类的一些致病菌中。ThyX和ThyA虽然都催化胸苷酸的合成，但是二者的氨基酸序列、蛋白质结构和催化机制都完全不同，选择性的ThyX抑制剂可以使病菌因胸苷酸代谢受阻而死亡；同时，由于人类的细胞中只含有ThyA，因此又可以尽量降低药物的毒副作用，是抗菌药物设计中一个良好的靶标。 我们首先分析了海底嗜热菌ThyX(TM0449)蛋白的晶体结构，揭示出该酶中和底物结合的关键残基以及可能的催化机理；然后，采用同源模建的方法构建了幽门螺旋杆菌ThyX的三维结构，经验证该结构是合理的。利用分子对接的方法对几个重要的小分子化合物数据库进行了虚拟筛选。根据虚拟筛选结果，我们从specs公司购买了其数据库中的64个化合物，测试结果表明其中有3个化合物和ThyX有较好的结合，其中1个化合物在5×10-5M的浓度下可以有56％的酶抑制活性，结果证实了我们虚拟筛选模型的正确性。另外，我们还通过活性位点分析的方法研究了所模建ThyX蛋白以及人类ThyA蛋白的底物结合腔特性，分析二者的异同可以为选择性的底物竞争的抑制剂设计提供可靠的指导信息。 第三部分QSAR方法对MurF和抗氧化剂两个体系的研究MurF抑制剂的定量构效关系研究细胞壁合成中的催化酶一直以来就是抗菌药物设计的重要靶标，如β-内酰胺类药物和糖肽类药物都是细胞壁合成后期催化酶的抑制剂。但是不断出现的抗药性菌株对公众健康构成了严重的威胁，因此，亟待设计新型的高效抗菌素。MurF催化细胞壁前期合成的最后一步反应，基因敲除实验研究表明MurF和其它胞壁素合成酶对于细菌的生存至关重要。我们使用了CoMFA，CoMSIA和HQSAR三种定量构效关系研究方法对最近报道的一组全新的MurF抑制剂进行了QSAR研究。分别考虑了不同的叠合方式对场分析方法(CoMFA，CoMSIA)、不同的场的组合方式对CoMSIA以及不同的碎片参数对HQSAR模型的影响。根据交叉验证相关系数的平方(～0.70)和标准偏差(～0.55)，所有的方法均可以给出高预测能力的模型。对于抑制活性较差的化合物，由于实验上没有测得它们的活性，它们被用作测试集以验证这些方法的有效性。结果表明，CoMSIA模型的预测能力最高，其次是HQSAR和CoMFA。在以上研究的基础上，我们得到了这些抑制剂中对活性有决定作用的结构特征，它们对于设计或者发现新的MurF抑制剂具有重要的指导作用。结合HQSAR方法和场分析方法，我们提出了一个完全基于配体的数据库虚拟筛选方案。这种虚拟筛选可以在没有任何受体结构信息的情况下，快速而且准确地从化合物数据库中筛选有潜力的化合物以用于实验测试。 抗氧化剂的EVA研究抗氧化剂在医药、食品、化工等领域有着广泛的用途，已经发现抗氧化剂具有抗癌、抗心血管疾病、抗炎以及其他一些生物活性，因此，近年来对抗氧化剂的研究备受关注。如何利用计算机辅助分子设计技术研究抗氧化剂的构效关系，设计高效低毒的抗氧化剂具有重要的意义。本论文中，我们首次利用一种新的定量构效关系研究方法——本征值(EVA)方法对四组酚类、苯胺类、黄酮类等抗氧化剂进行了理论研究，所有模型的交叉验证相关系数的平方(q2)均在0.5以上，其中一组化合物所得模型的q2高达0.927，表明这些模型具有很好的活性预测能力。在未采用任何实验数据的情况下，这些模型均优于文献报道的QSAR模型，表明EVA方法是研究抗氧化剂活性构效关系的良好工具。EVA是一种免叠合的构效关系研究方法，克服了CoMFA方法对空间取向和位置敏感、可重复性差的缺点。此外，EVA方法具有快速、自动的优点使它适合于数据库中大量化合物的活性预测和虚拟筛选。本论文是国际上利用EVA方法对抗氧化活性进行QSAR研究的首次报道，EVA方法必将成为研究抗氧化剂构效关系的有效工具。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要缩略语

前言计算机辅助药物设计研究进展综述及论文的研究计划

0.1计算机辅助药物设计的概念

0.2计算机辅助药物设计的意义

0.3计算机辅助药物设计的研究方法

0.3.1药物作用的基本理论

0.3.2计算机辅助药物设计的方法分类

0.3.3直接药物设计

0.3.4间接药物设计

0.4论文的研究计划

第一部分HMG-CoA还原酶抑制剂的计算机辅助药物设计

第一章降血脂药物和HMG-CoA还原酶抑制剂的研究进展

1.1降血脂药物的发展概况

1.2 HMG-CoA还原酶抑制剂的研究进展

1.3研究意义与研究方案

第二章基于受体结构的HMGR抑制剂的设计

2.1引言

2.2研究方法

2.3结果与讨论

2.4结论

第三章HMG-CoA还原酶抑制剂的定量构效关系和药效基团分析

3.1 HMG-CoA还原酶抑制剂的三维定量构效关系研究

3.2 HMG-CoA还原酶抑制剂的药效基团

第二部分幽门螺旋杆菌胸苷酸合成酶ThyX抑制剂的设计

第四章幽门螺旋杆菌胸苷酸合成酶ThyX的同源模建及虚拟筛选

4.1胸苷酸合成酶ThyX的研究进展综述

4.2胸苷酸合成酶(ThyX)的同源模建、虚拟筛选和活性位点分析

第三部分胸苷酸合成酶MurF抑制剂和抗氧化剂两个体系的定量构效关系研究

第五章一类全新MurF抑制剂的CoMFA，CoMSI A和HQSAR研究

5.1引言

5.2材料和方法

5.3结果和讨论

5.4结论

第六章使用本征值方法研究抗氧化剂的构效关系

6.1引言

6.2实验材料与理论计算方法、步骤

6.3计算结果

6.4讨论

6.5结论

论文总结

参考文献

附录1图表索引

附录2 Dock对接程序的参数文件示例

附录3攻读博士期间已发表及准备发表的论文目录

致 谢