計算機輔助篩選磷酸二酯酶選擇性抑制劑的研究.pdf

1、目的：環(huán)磷酸腺苷酸(cyclic adenosine-3'，5'-monophosphate，cAMP)和環(huán)磷酸鳥苷酸(cyclic guanosme-3'，5'-monophosphate，cGMP)是細胞內(nèi)重要的第二信使，其在體內(nèi)水平的高低直接影響著多種重要的生理功能。如高血壓、心絞痛、充血性心衰、勃起功能障礙、哮喘、視覺障礙等，均與細胞內(nèi)cAMP或cGMP水平下降有關(guān)。為提高細胞內(nèi)cAMP和cGMP的水平，可通過激活腺苷酸環(huán)化酶(

2、adenylyl cyclases，Ac)和鳥苷酸環(huán)化酶(guanylyl cyclases，GC)或抑制磷酸二酯酶(cyclic nucleotide phosphodiesterases，PDEs)兩種途徑來實現(xiàn)。多年來的研究證明，PDEs及其同工酶在調(diào)節(jié)cAMP和cGMP細胞內(nèi)水平中扮演著重要的角色。由于PDEs同工酶為一個大家族，其結(jié)構(gòu)、體內(nèi)分布、生化特性及生理功能不盡相同，迄今為止，已發(fā)現(xiàn)的PDEs有11種之多，而且在人體內(nèi)分

3、布廣泛，生理作用涉及多個研究領(lǐng)域。 PDE酶作為多種疾病的治療靶點，其生化過程已很明確，其晶體結(jié)構(gòu)和活性部位也比較清楚，研究進展較快。目前已報道的PDEs抑制劑大多為PDE3，PDE4，PDE5三類結(jié)構(gòu)，截至2005年為止，已有3個PDE5抑制劑和4個PDE3抑制劑投入臨床使用，20多個PDE4抑制劑已進入了臨床研究，另有兩個PDE4抑制劑待審批，而正處于研究開發(fā)階段的化合物仍有上百個。因此，PDEs作為新的治療靶點，其抑制劑的

4、研究已成為前景樂觀的新藥領(lǐng)域，引起了眾多學者的廣泛關(guān)注。 本研究通過計算機輔助篩選的方法研究磷酸二酯酶(PDEs)同功酶及其選擇性抑制劑的選擇特異性，來尋找PDEs專屬性藥物，進一步以此指導(dǎo)合成出特定結(jié)構(gòu)的化合物或?qū)ΜF(xiàn)有化合物進行結(jié)構(gòu)改造，為得到特異性高，療效強，副作用低，同時具有更好的藥代動力學特征的新藥提供理論依據(jù)。 方法： 首先對PDEs的一級序列及晶體結(jié)構(gòu)進行了同源性研究，然后從晶體結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過配體和受

5、體的對接計算及分子動力學研究，分析了PDEs抑制劑與PDEs的選擇性。從理論上提出了PDEs抑制劑的底物選擇性。本研究的主要內(nèi)容摘要如下： 1．PDEs的氨基酸序列比對 對已經(jīng)報道的833個PDE的序列進行了比對，采用Vector9.0軟件包的AlignX模塊進行序列比對。此后對已有晶體結(jié)構(gòu)的60個PDEs一級序列進行了同源性比對。 2．FDEs晶體結(jié)構(gòu)的分析 我們在研究藥物機理和設(shè)計藥物時通常都以已知結(jié)

6、構(gòu)為基礎(chǔ)進行。所以，本課題又分析了已知立體結(jié)構(gòu)的PDE酶序列相似性，利用SPDV軟件，對60個已知晶體結(jié)構(gòu)的PDEs進行類別內(nèi)及類別間的相似性研究。 3．模擬對接 依照上兩項研究的結(jié)果，從60個已知晶體結(jié)構(gòu)的PDE中選取15個有代表性的，并且?guī)в械孜锏拿缸鳛槭荏w，與目前已報道的32個化合物進行對接計算。采用實驗上常用的陽性對照方法來判斷。為了消除配體分子本身對結(jié)果的影響，我們在正式對接前還考察了分子量對結(jié)果的影響。對接計

7、算軟件采用Syby17.0軟件包的FlexX/Runmuti-ligand模塊和Amber99力場，取復(fù)合物中原配體周圍8A范圍為活性位點(active-site)進行分子對接，采用經(jīng)驗結(jié)合自由能函數(shù)作為打分函數(shù)來評價對接結(jié)果。 結(jié)果： 1．PDEs的氨基酸序列比對 根據(jù)一級結(jié)構(gòu)分成14類，包括目前報道的11個家族和3個亞家族。對比對的序列對應(yīng)位置上的殘基進行了宏觀性質(zhì)指標(包括：極性、柔性、構(gòu)象參數(shù)等)分析，結(jié)

8、果表明各種來源的PDE酶結(jié)構(gòu)上有較大的相似性。 對文獻報道的60個晶體結(jié)構(gòu)進行了相似性研究，結(jié)果表明其具有較高的相似度，立體結(jié)構(gòu)框架基本一致。通過在833個PDE所分成的14類結(jié)構(gòu)中分別選擇一些序列與晶體結(jié)構(gòu)的序列進行比較，發(fā)現(xiàn)在晶體結(jié)構(gòu)中都可以找到與它們近似的序列，表明晶體結(jié)構(gòu)具有廣泛的代表性。因此基于現(xiàn)有晶體結(jié)構(gòu)進行的藥物選擇性研究顯得更有意義。 2．PDEs晶體結(jié)構(gòu)的分析 已知結(jié)構(gòu)的PDE坐標疊合結(jié)果表明，

9、同一家族的PDE晶體結(jié)構(gòu)其空間骨架比較接近，不同家族的PDE由于序列上存在不同程度的差異，導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)的空間骨架略有差異，但大部分序列的骨架還是比較接近，各結(jié)構(gòu)中對應(yīng)部分的二級結(jié)構(gòu)都處在較相近的位置。說明不同來源的PDE在空間結(jié)構(gòu)上具有較高的保守性。 3．模擬對接 分子量小的化合物很容易進入活性口袋區(qū)，從而得到穩(wěn)定構(gòu)象。所以在對接時盡量選取分子量相差不大的化合物進行對接計算及分析。用對接結(jié)果進行綜合分析，發(fā)現(xiàn)PDE抑制劑

10、與PDEs的結(jié)合有一定的特異性。 結(jié)論： 通過上述對PDE抑制劑的理論研究，得到了PDEs具有較高的選擇性的結(jié)果，即PDE抑制劑可選擇性地占據(jù)相應(yīng)PDEs家族酶的活性位點，從而抑制底物cAMP或cGMP的水解。此結(jié)果與實際的試驗結(jié)果基本吻合，更進一步證明了計算機輔助篩選方法的可靠性。為今后開發(fā)特異性高，療效強，副作用低的PDEs抑制劑提供了良好的理論研究基礎(chǔ)，同時也為新型PDE抑制劑的研究與開發(fā)提供了一個可縮短了新藥研發(fā)