基于计算机模拟技术的药物先导化合物的快速发现与活性评价

摘要

本文主要将先进的计算机辅助药物设计方法应用于药物先导化合物的快速发现，通过对计算方法和虚拟筛选策略的改进，提高了现有计算方法在特定药物靶点上的适用性，成功的发现了多个先导化合物，并进行了深入生物活性研究，有效的节省了药物研发时间，降低了筛选成本。
　　分子对接是当前基于结构的药物设计中的关键技术。我们针对当前使用分子对接进行虚拟筛选时精确度低、假阳性高的实际问题，系统研究了不同原子电荷计算方法在分子对接软件AutoDock4.2应用过程中的影响。我们的研究首先比较了不同电荷计算方法（Del-Re、formal、GM、GH、Hückel、Pullman、MMFF、AM1-BCC及Hartree-Fock）在预测小分子结合构象和计算小分子结合能两个方面的精确度，结果显示GH电荷计算方法更适合于大规模的虚拟筛选，而AM1-BCC可用于先导化合物的结构优化。此外，应用分子对接软件AutoDock4.2时，不同电荷计算方法对对接结果的影响还表现在某些特殊官能团（如:磷酸根）上原子电荷计算的不同。相关研究结果还提示我们，AutoDock4.2打分函数中库仑静电势能的计算方法还有待进一步优化。
　　淋巴特异性酪氨酸磷酸酶(Lymphoid-specific tyrosine phosphatase，LYP)是T细胞信号通路的关键调控蛋白，遗传学研究发现该蛋白与多种自身免疫性疾病有关。因此，研究LYP小分子抑制剂是该领域的研究热点。我们综合运用多种计算机辅助药物设计技术，发展了针对LYP小分子抑制剂的特异性虚拟筛选平台，成功的获得了9个具有全新骨架的活性先导化合物（包括8个可逆结合的竞争性抑制剂和1个不可逆抑制剂），并进行了深入的生物活性研究。针对活性最好的化合物A15和A19，我们进行了初步的构效关系研究，并在T细胞水平上测试了它们对LYP的抑制以及对TCR信号通路的影响。特别是，不同于传统的羧酸型LYP抑制剂，我们发现非羧酸型化合物A19不仅表现出较强的LYP选择性，而且可以有效调节TCR信号通路，这促使我们针对非羧酸型LYP抑制剂进行第二轮虚拟筛选。通过使用组合蛋白结构进行虚拟筛选的策略，我们解决了LYP蛋白的柔性结构对分子对接精确度的影响，提高了虚拟筛选的精确度，并在第二轮虚拟筛选中成功发现了8个微摩尔级别的非羧酸型LYP小分子抑制剂。以上研究不仅成功发展了具有靶点特异性的虚拟筛选策略，而且为今后LYP小分子抑制剂的研究提供了多种类型的活性结构骨架。
　　组蛋白去乙酰化酶(Histone deacetylases，HDACs)是表观遗传调节中的重要蛋白，HDACs小分子抑制剂也已经被成功的应用于肿瘤等疾病的治疗。然而，由于传统的计算机辅助药物设计方法难以准确识别HDACs抑制剂和蛋白活性位点锌离子的螯合作用，因此难以针对该靶点进行大规模的虚拟筛选。针对这一问题，我们设计了一个全新的可识别锌离子螯合基团(Zinc binding group，ZBG)的药效团元素，构建了针对HDAC8抑制剂具有高度特异性的药效团模型，解决了传统药效团难以识别HDACs抑制剂中ZBG的问题，并成功的筛选出了3个新型HDAC8抑制剂(IC50=1.8-1.9μM)。其中，化合物H8-A5在活性测试中表现出HDAC8亚型选择性，并且能够有效抑制剂MDA-MB-231肿瘤细胞的增殖，为今后使用HDAC8抑制剂治疗肿瘤提供了新的先导结构。此外，通过分子动力学模拟，我们还进一步揭示了化合物H8-A5与HDAC8蛋白的结合模式，为今后的结构改造提供了方向。
　　8IRT1属于NAD+依赖的组蛋白去乙酰化酶，在各种代谢途径的调节中发挥关键作用，是当前抗衰老等研究领域的重要药物靶标。作为首个SIRT1小分子激活剂，天然产物白藜芦醇已经展现出在延长寿命等方面的益处。最新的生物化学和结构生物学研究提出了SIRT1的变构激活机制。然而，该变构机制的许多分子细节仍不清楚，也无法完全解释SIRT1激活中的底物特异性。为了阐明白藜芦醇激活SIRT1的分子机制，我们综合运用分子动力学模拟、结合自由能计算、动态蛋白结合口袋分析等计算方法，系统研究了SIRT1蛋白和不同底物及白藜芦醇的相互作用，提出了一个新的底物依赖性SIRT1激活的详细机制，不仅很好的解释了当前的实验结果，也为今后SIRT1激活剂的设计提供了理论依据。

目录

声明

摘要

第1章 计算机辅助药物设计的发展现状与前景

1．1 计算机辅助药物设计简介

1．2 基于配体的药物设计方法

1．2．1 定量构效关系

1．2．2 基于配体的药效团模型

1．2．3 分子相似性搜索

1．3 基于靶点结构的药物设计方法

1．3．1 药物结合位点预测

1．3．2 分子对接

1．3．3 基于靶点结构的药效团模型

1．3．4 分子动力学模拟

参考文献

第2章 小分子电荷计算对分子对接打分精度的影响

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 基准数据库的构建

2．2．2 蛋白和小分子结构的准备

2．2．3 对接结果的评价方法

2．2．4 分子对接参数

2．3 结果与讨论

2．3．1 不同电荷对小分子结合构象预测精确度的影响

2．3．2 不同电荷对小分子结合自由能计算的影响

2．3．3 不同电荷在计算晶体结构中小分子结合自由能的精确度

2．4 本章小结

参考文献

第3章 淋巴特异性酪氨酸磷酸酶抑制剂(LYP)的虚拟筛选及生物活性研究

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 实验材料

3．2．2 基于蛋白-小分子相互作用的药效团

3．2．3 小分子和蛋白结构的准备

3．2．4 虚拟筛选测试数据库的构建和评价方法

3．2．5 LYP小分子抑制剂的虚拟筛选

3．2．6 分子动力学模拟

3．2．7 蛋白表达、纯化和体外酶活抑制实验

3．2．8 抑制剂和LYP结合的可逆性测试

3．2．9 细胞水平测试

3．2．10 双荧光素酶测定

3．3 结果与讨论

3．3．1 基于蛋白-小分子相互作用的LYP抑制虚拟筛选

3．3．2 多蛋白结构策略在非羧酸型LYP抑制剂虚拟筛选中的应用

3．4 本章小结

参考文献

第4章 基于锌离子螯合基团的组蛋白去乙酰化酶8(HDAC8)抑制剂药效团模型的构建与应用

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 药效团的构建与检验方法

4．2．2 虚拟筛选数据库的准备

4．2．3 体外抑制HDACs酶活性测试方法

4．2．4 抗肿瘤细胞增殖活性测试方法

4．2．5 分子对接和分子动力学模拟方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 基于ZBG的HDAC8小分子抑制剂药效团

4．3．2 基于ZBG药效团的HDAC8抑制剂虚拟筛选

4．3．3 HDAC亚型选择性和抗增殖话性

4．3．4 化合物H8-A5和HDAC8结合的分子动力学模拟

4．4 本章小结

参考文献

第5章 SIRT1小分子激活剂分子机制的理论研究

5．1 引言

5．2 实验材料和方法

5．2．1 模拟体系的构建

5．2．2 分子动力学模拟和轨迹分析

5．2．3 蛋白-多肽结合口袋分析

5．3 结果与讨论

5．3．1 SIRT1和天然多肽底物p53的结合

5．3．2 白藜芦醇稳定了SIRT1和p53AMC／p53W多肽底物的结合

5．3．3 基于稳定蛋白-底物相互作用的SIRT1的激活机制

5．4 本章小结

参考文献

6．1 全文总结

6．2 展望

附图

致谢

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