計算機輔助藥物設(shè)計方法對HMGR、ThyX、MurF和抗氧化劑四體系的研究.pdf

1、計算機輔助藥物設(shè)計(computer-aideddrugdesign，CADD)不僅能夠大大降低藥物開發(fā)中的投資，節(jié)省有限的實驗資源，減少盲目的浪費，而且還可以大大縮短藥物開發(fā)的周期。近年來，CADD的理論和方法取得了突飛猛進的發(fā)展，已經(jīng)從原來的基礎(chǔ)理論研究發(fā)展成為一門綜合實用的學(xué)科，成為國際上十分活躍的研究領(lǐng)域，被國外許多制藥公司用于新藥的研究與開發(fā)，取得了極大的成功。CADD在整個藥物設(shè)計與開發(fā)過程中起著樞紐和指導(dǎo)作用，特別是伴隨著

2、組合化學(xué)技術(shù)和生命科學(xué)研究的深入、人類基因組計劃的完成，CADD在新藥研究特別是先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化中發(fā)揮著越來越重要的作用。 本論文利用計算機輔助藥物設(shè)計的方法對HMG-CoA還原酶(HMGR)抑制劑、幽門螺旋桿菌胸苷酸合成酶ThyX抑制劑、D-Ala-D-Ala添加酶MurF抑制劑和抗氧化劑四個體系進行了理論研究，全文共分為三個部分： 第一部分HMG-CoA還原酶抑制劑的計算機輔助藥物設(shè)計研究HMGR是降血脂藥物設(shè)

3、計的重要靶標(biāo)，抑制該酶的活性可以有效地降低血漿總膽固醇水平，從而降低心腦血管疾病的發(fā)病幾率。雖然已經(jīng)開發(fā)了數(shù)種他汀類藥物作為HMGR抑制劑應(yīng)用于臨床，但是他汀類藥物的安全性特別是長期服用的安全性一直備受關(guān)注。本論文中，我們綜合利用了直接藥物設(shè)計方法和間接藥物設(shè)計方法進行了HMGR抑制劑的研究。 在直接藥物設(shè)計中，我們首先建立了HMGR抑制劑的虛擬篩選模型，通過重復(fù)晶體結(jié)構(gòu)、對比對接打分和化合物的活性之間的相關(guān)性等方法驗證了模型的

4、可靠性。然后，利用這些模型對specs商品化合物數(shù)據(jù)庫和中國天然產(chǎn)物數(shù)據(jù)庫進行了虛擬篩選，以期發(fā)現(xiàn)化合物的結(jié)構(gòu)和作用機制均為全新的抑制劑。另外我們還通過活性位點分析的方法，分析了HMGR底物結(jié)合腔的形狀和表面特性，為確定HMGR抑制劑的藥效基團、先導(dǎo)化合物的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。 在間接藥物設(shè)計中，首先利用CoMFA和CoMSIA兩種三維定量構(gòu)效關(guān)系研究方法研究了一組HMGR抑制劑的定量構(gòu)效關(guān)系，得到了各種分子場(立體、靜電、疏水、氫

5、鍵)在三維空間的有利位置。從結(jié)果的統(tǒng)計數(shù)據(jù)上看，所建立的3D-QSAR模型具有很好的預(yù)測能力，對測試集化合物的活性預(yù)測結(jié)果和實驗結(jié)果有很好的相關(guān)性。在細(xì)致地分析了各類藥物與HMGR的具體的氫鍵、疏水相互作用后，結(jié)合活性位點分析和3D-QSAR的研究結(jié)果，我們總結(jié)了HMGR抑制劑的藥效基團模型，并提出了可行的HMGR抑制劑的設(shè)計方案，為全新HMGR抑制劑的設(shè)計和先導(dǎo)化合物的優(yōu)化提供了可靠的信息。 第二部分幽門螺旋桿菌胸苷酸合成酶T

6、hyX抑制劑的設(shè)計ThyX是繼ThyA之后發(fā)現(xiàn)的第二類胸苷酸合成酶，存在于多種太古代生物和人類的一些致病菌中。ThyX和ThyA雖然都催化胸苷酸的合成，但是二者的氨基酸序列、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和催化機制都完全不同，選擇性的ThyX抑制劑可以使病菌因胸苷酸代謝受阻而死亡；同時，由于人類的細(xì)胞中只含有ThyA，因此又可以盡量降低藥物的毒副作用，是抗菌藥物設(shè)計中一個良好的靶標(biāo)。 我們首先分析了海底嗜熱菌ThyX(TM0449)蛋白的晶體結(jié)構(gòu)，

7、揭示出該酶中和底物結(jié)合的關(guān)鍵殘基以及可能的催化機理；然后，采用同源模建的方法構(gòu)建了幽門螺旋桿菌ThyX的三維結(jié)構(gòu)，經(jīng)驗證該結(jié)構(gòu)是合理的。利用分子對接的方法對幾個重要的小分子化合物數(shù)據(jù)庫進行了虛擬篩選。根據(jù)虛擬篩選結(jié)果，我們從specs公司購買了其數(shù)據(jù)庫中的64個化合物，測試結(jié)果表明其中有3個化合物和ThyX有較好的結(jié)合，其中1個化合物在5×10-5M的濃度下可以有56％的酶抑制活性，結(jié)果證實了我們虛擬篩選模型的正確性。另外，我們還通過活

8、性位點分析的方法研究了所模建ThyX蛋白以及人類ThyA蛋白的底物結(jié)合腔特性，分析二者的異同可以為選擇性的底物競爭的抑制劑設(shè)計提供可靠的指導(dǎo)信息。 第三部分QSAR方法對MurF和抗氧化劑兩個體系的研究MurF抑制劑的定量構(gòu)效關(guān)系研究細(xì)胞壁合成中的催化酶一直以來就是抗菌藥物設(shè)計的重要靶標(biāo)，如β-內(nèi)酰胺類藥物和糖肽類藥物都是細(xì)胞壁合成后期催化酶的抑制劑。但是不斷出現(xiàn)的抗藥性菌株對公眾健康構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅，因此，亟待設(shè)計新型的高效抗

9、菌素。MurF催化細(xì)胞壁前期合成的最后一步反應(yīng)，基因敲除實驗研究表明MurF和其它胞壁素合成酶對于細(xì)菌的生存至關(guān)重要。我們使用了CoMFA，CoMSIA和HQSAR三種定量構(gòu)效關(guān)系研究方法對最近報道的一組全新的MurF抑制劑進行了QSAR研究。分別考慮了不同的疊合方式對場分析方法(CoMFA，CoMSIA)、不同的場的組合方式對CoMSIA以及不同的碎片參數(shù)對HQSAR模型的影響。根據(jù)交叉驗證相關(guān)系數(shù)的平方(～0.70)和標(biāo)準(zhǔn)偏差(～0

10、.55)，所有的方法均可以給出高預(yù)測能力的模型。對于抑制活性較差的化合物，由于實驗上沒有測得它們的活性，它們被用作測試集以驗證這些方法的有效性。結(jié)果表明，CoMSIA模型的預(yù)測能力最高，其次是HQSAR和CoMFA。在以上研究的基礎(chǔ)上，我們得到了這些抑制劑中對活性有決定作用的結(jié)構(gòu)特征，它們對于設(shè)計或者發(fā)現(xiàn)新的MurF抑制劑具有重要的指導(dǎo)作用。結(jié)合HQSAR方法和場分析方法，我們提出了一個完全基于配體的數(shù)據(jù)庫虛擬篩選方案。這種虛擬篩選可以

11、在沒有任何受體結(jié)構(gòu)信息的情況下，快速而且準(zhǔn)確地從化合物數(shù)據(jù)庫中篩選有潛力的化合物以用于實驗測試。 抗氧化劑的EVA研究抗氧化劑在醫(yī)藥、食品、化工等領(lǐng)域有著廣泛的用途，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)抗氧化劑具有抗癌、抗心血管疾病、抗炎以及其他一些生物活性，因此，近年來對抗氧化劑的研究備受關(guān)注。如何利用計算機輔助分子設(shè)計技術(shù)研究抗氧化劑的構(gòu)效關(guān)系，設(shè)計高效低毒的抗氧化劑具有重要的意義。本論文中，我們首次利用一種新的定量構(gòu)效關(guān)系研究方法——本征值(EVA)

12、方法對四組酚類、苯胺類、黃酮類等抗氧化劑進行了理論研究，所有模型的交叉驗證相關(guān)系數(shù)的平方(q2)均在0.5以上，其中一組化合物所得模型的q2高達0.927，表明這些模型具有很好的活性預(yù)測能力。在未采用任何實驗數(shù)據(jù)的情況下，這些模型均優(yōu)于文獻報道的QSAR模型，表明EVA方法是研究抗氧化劑活性構(gòu)效關(guān)系的良好工具。EVA是一種免疊合的構(gòu)效關(guān)系研究方法，克服了CoMFA方法對空間取向和位置敏感、可重復(fù)性差的缺點。此外，EVA方法具有快速、自動