PKM2激活剂的虚拟筛选及生物活性评价

摘要

癌症已成为全人类最为关注的疾病之一，抑制癌症的发生与发展是研究者们期望彻底攻克的难题。正常细胞在有氧条件下以氧化磷酸化为主要的代谢方式，而在缺氧条件下则以糖酵解为主，即细胞内的葡萄糖产生的丙酮酸转化为大量乳酸排出体外，并释放少量能量。然而，肿瘤细胞却不同。即使在氧气充足的条件下，肿瘤细胞仍以糖酵解作为主要的代谢方式。这一现象是由德国化学家Otto Warburg等人于上世纪20年代发现的，被称为“Warburg效应”，也可称为有氧糖酵解。基于肿瘤细胞这种特异的代谢特征，研究者们发现了许多抗肿瘤靶标，其中四聚体M2型丙酮酸激酶（PKM2）的活化能够有效地抑制肿瘤的发生与发展，被认为是非常有前景的抗肿瘤靶标。　　本论文中，我们以PKM2为靶标，采用基于分子对接的虚拟筛选并结合多种评价方法和细胞毒性试验，以期发现PKM2的激活剂。首先，通过基于分子对接的虚拟筛选，评价四个化合物库包括Chembrige数据库、FDA数据库、SPECS数据库和ZINC天然产物数据库中的化合物与靶标的结合能力。然后通过小分子结构聚类及结合自由能计算等方法，保留命中的168个小分子化合物。最终，我们选择126个化合物进行活性评价。通过细胞毒性实验（MTT法），12个化合物显示出明显的抗肿瘤效果。进一步针对三个细胞系（人肝癌细胞系HepG2、人宫颈癌细胞系Hela和人非小细胞肺癌细胞系A549），测定12个化合物的IC50值。结果表明，12个化合物的IC50值均在100μM以下，其中化合物S1和化合物S13的IC50值在10μM以下。接着，我们采用分子动力学模拟的方法，结合MM-PBSA结合自由能计算，从能量和结构的角度阐明活性化合物S1与PKM2的相互作用模式及其机理。结果表明，范德华相互作用和非极性溶剂化作用是小分子S1和靶标PKM2相互作用的主要驱动力；残基能量分解说明其结合模式中有利的贡献来自于以下残基：Phe26A、Lys311A、Leu394A、Phe26B、Leu27B、Met30B、Leu353B、Ile389B、Tyr390B、Leu394B以及Glu397B。通过进一步的相互作用模式分析，我们发现Phe26A、Leu394A、Phe26B以及Leu394B等残基形成了活性结合位点中的疏水空腔，能够与小分子S1形成强烈的范德华相互作用；Lys311A、Tyr390B以及Glu397B等残基与小分子S1形成主要的氢键相互作用，有助于稳定PKM2的活性构象。总之，本论文的研究结果对于以PKM2 为靶标的抗肿瘤药物的设计和开发具有重要的理论价值和对实际应用的指导价值。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 Warburg效应与肿瘤发生

1.2 M2型丙酮酸激酶（PKM2）

1.2.1 PKM2简介

1.2.2 PKM2的结构

1.2.3 Warburg效应与PKM2活性的调节

1.2.4 PKM2激活剂的研究进展

1.3 计算机辅助药物设计

1.3.1 概述

1.3.2分子对接

1.3.3分子动力学模拟技术

1.3.4药效团

1.3.5虚拟筛选

1.3.6 CADD技术在PKM2激活剂发现中的应用

第二章 PKM2激活剂的虚拟筛选及抗肿瘤活性研究

2.1 引言

2.2 实验材料

2.2.1 实验仪器

2.2.2 主要试剂与耗材

2.2.3 溶液配制

2.3 实验方法

2.3.1虚拟筛选靶标晶体结构的选择

2.3.2 基于分子对接的虚拟筛选

2.3.3 细胞毒性实验（MTT法）

2.4 结果与讨论

2.4.1 分子对接和虚拟筛选方法可靠性的验证

2.4.2 虚拟筛选结果及后处理

2.4.3 MTT预实验结果

2.4.4MTT实验测定有效化合物对癌细胞的半数抑制浓度（IC50）

2.5 本章小结

第三章 化合物S1与PKM2相互作用机理的分子动力学模拟研究

3.1 引言

3.2研究方法

3.2.1 模拟体系的搭建

3.2.2分子动力学模拟

3.2.3结合自由能计算

3.3 结果与讨论

3.3.1 化合物S1与PKM2结合模式的静态结构分析

3.3.2 分子动力学模拟

3.4 本章小结

参考文献

在学期间的研究成果

致谢