针对代谢酶（PHGDH和PGAM1）与胸腺嘧啶DNA糖基化酶（TDG）的药物设计和机制研究

发布时间：2018-11-13 14:02

【摘要】：研究生物大分子动态行为、有机小分子构象以及两者之间的相互识别、相互作用是基于机理的药物发现的重要方向。有机分子和/或生物大分子的构象搜索是研究并改造化合物结构和调控相应大分子生物学功能的基础。本论文第一章从化学小分子和生物大分子两个方面具体阐述了构象搜索的原则、结构来源、搜索策略以及构象收敛的标准。有机小分子初始三维构象主要可以CSD晶体数据库或者PDB晶体数据库中获得,新发展的核磁共振(NMR)方法可以获得分子的构象集合,也可以利用分子模拟软件计算生成。有机小分子构象搜索算法主要包括系统搜索、片段连接、距离几何、遗传算法、蒙特卡洛(MC)和分子动力学(MD)方法。生物大分子构象则主要来源于PDB结构数据库。X-ray晶体衍射、NMR和冷冻电镜技术是得到大分子构象的常用方法,X-ray晶体衍射是最主要的方法。生物大分子的构象搜索主要方法是基于分子力场的分子模拟,包括MC和MD模拟等。本章描述了几种增强采样的方法,其中包括副本交换、伞形抽样、准静态动力学、局部增强采样和拉伸动力学等模拟方法。后续几章中大量应用到了不同类型的构象搜索算法。近来一些研究证明丝氨酸合成途径是连接癌症和合成代谢的关键点。而磷酸甘油酸脱氢酶(PHGDH)是丝氨酸合成过程中的关键的限速酶,很多研究报道它在很多肿瘤中过表达。PHGDH已经成为治疗肿瘤的潜在靶点,2016年起很多文献中报道了一些针对于PHGDH的小分子抑制剂。为了发现新颖的PHGDH抑制剂,我们综合利用药效团筛选、分子对接和化学信息学的方法对PHGDH进行了虚拟药物筛选。我们购买了126个化合物用于生物活性测试,结果发现了4个化合物活性相对好,其中140号化合物最好,它的IC50为19μM。进一步的结合模式分析说明140、154和92号化合物与NAD+有类似的结合构象,分析了它们初步的构效关系,在此基础上指出了140号化合物结构优化的方向。很多研究表明,磷酸甘油酸变位酶(PGAM1)在多种人类癌症细胞中表达量较高。了解它的催化机制有助于靶向PGAM1的肿瘤治疗。我们对现有PGAM1和其同源蛋白的晶体结构进行比较,发现C端部分结构缺失。我们推测C端可以发生构象变化,且其构象变化在PGAM1催化循环过程中扮演重要角色。Disprot程序从序列出发预测C端部分区域是固有无序结构。MC模拟结果说明C端可以呈现出很多构象。常规MD模拟和副本交换分子动力学(REMD)模拟进一步说明C端构象的变化可以使PGAM1整体由闭合态到开放态的转变。在PGAM1与2,3-BPG复合物中,C端可以呈现出稳定的闭合构象。同时我们观察PGAM1可以在开放状态下结合2,3-BPG,暗示C端构象不影响酶的磷酸化反应。通过计算蛋白质表面电势,发现了催化口袋呈现较强正电性,靶向活性口袋设计抑制剂并不容易。我们用理论模拟方法阐明了PGAM1的C端构象变化,观察到C端构象变化引起PGAM1由闭合状态到开放状态的转变。通过构象变化和结合口袋电势分析,提出了PGAM1抑制剂的设计策略,也为PGAM1及其同源蛋白催化机理、生理功能的研究提供了参考。表观遗传学已经成为生命科学领域最热门的方向之一。其中,DNA的甲基化与很多疾病的发生和发展相关。张良教授最近解析了两段双链DNA寡核苷酸的晶体结构,其中一个结构包含5-甲酰基胞嘧啶(5-formylcytosine,5fC),另外一个结构中包含5-羧基胞嘧啶(5-carboxycytosine,5caC)。晶体结构显示含5fC的DNA结构呈现A构型,而含5caC的DNA结构呈现B型。为了探究5fC和5caC是否可以影响DNA的结构,以及TDG如何识别这两种碱基,我们利用MD模拟了含修饰碱基的DNA结构以及DNA与TDG的复合物。结果显示含有5fC和5caC的DNA在模拟过程中均变为了稳定的B构型,修饰的碱基对附近DNA的结构有一定影响。其中最明显的影响是让DNA的小沟宽度变大,5caC的影响比5fC大。另外从对TDG的模拟中,我们发现198-204这段loop通过摆动可以形成两种明显的构象。我们进一步模拟了TDG与含有修饰碱基DNA的复合物,结果显示201位赖氨酸可以与5caC的羧基形成稳定的氢键,却无法与5fC的羰基形成。275位的精氨酸是碱基翻转的关键氨基酸,对DNA的构象有较大影响。模拟结果很好地解释了TDG对两种氧化形式的修饰碱基识别机制的区别,为TDG对不同修饰碱基的识别以及催化机制的进一步研究提供了有利支持。
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【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海药物研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：R91

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