以LpxC为靶点的新型抗菌药物计算机虚拟筛

发布时间：2017-06-17 10:13

  本文关键词：以LpxC为靶点的新型抗菌药物计算机虚拟筛选、先导物优化及活性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：药物发现过程在经历了随机筛选、以合成药物和天然产物为主的定向药物发掘阶段后已进入到目前的合理药物设计阶段。所谓合理药物设计,是结合了基因组学、蛋白质组学、生物化学、分子生物学、物理化学、结构生物学、化学生物学以及计算化学等多学科的研究成果,针对这些研究所揭示的酶、受体、离子通道以及核酸等潜在药物设计靶点的结构功能信息,借助计算机辅助药物设计(Computer Aided Drug Design, CADD)方法,来发现选择性作用于特定靶点的先导化合物并对其进行结构优化而获得活性不断提高的药物分子。计算机辅助药物设计发展至今已有数十年的历史,在最近十多年来更是取得了许多实质性进展,在许多药物的研究中都取得了成功,从而成为新药研发中的常规方法和热门领域之一。利用现代计算机虚拟筛选技术(virtual screening),根据某个靶标的相关性质,利用三维药效团搜索和分子对接等方法从众多的化合物数据库中寻找可能的潜在活性分子,订购或合成后进行药理测试,大大减少了筛选的工作量与筛选成本,提高了活性分子的命中率,既节省了有限的实验资源,又大大加快了新药研发的速度和效率。 迄今为止,多种革兰阴性细菌感染疾病已严重威胁到人类的生命和健康,对于目前临床运用的所有抗菌药物,均已发现其对应的单一或多重耐药菌株,甚至还出现了对所有现有药物均耐药的超级细菌,这使得基于全新抗菌机制和抗菌靶点的新型抗菌药物研发工作显得尤为重要。其中,以在细菌生长、新陈代谢及侵袭毒性产生过程中发挥关键作用的细菌特有酶为靶点的抗菌机制及相关药物研究成为了近年来研究常见细菌耐药性及致死性超级菌感染领域的热点内容。UDP-3-O-(R-羟基十四酰)-N-乙酰氨基葡萄糖脱乙酰化酶(LpxC)是一种锌离子依赖性金属蛋白水解酶,它催化革兰阴性菌中脂质A生物合成中最关键的第一步,为革兰阴性菌生存和毒力所必需的一种酶。研究表明,抑制细菌LpxC酶将导致细菌脂质A的合成及其后的脂多糖(LPS,又叫内毒素)合成受阻,从而形成不完整的革兰阴性菌外膜,导致细菌生存率和毒力均显著下降,同时对其他药物的敏感性显著增强。我们经过基因序列比对发现,LpxC酶在不同种类的革兰阴性细菌中具有高度的同源性,但人和动物体内却不含有这种酶,并且与这种酶的蛋白同源性很低。由于现有上市抗菌药物中尚无针对LpxC这一靶点设计的药物,且目前药物对LpxC酶无显著抑制效果,因此LpxC近年来作为抗菌新靶点的研究日益增多,LpxC抑制剂的研究有望为开发新型高效、低毒抗菌药物提供指导。 本论文利用计算机辅助药物设计方法进行以LpxC为靶点的先导化合物发现及结构改造研究,并对虚拟筛选后选定的部分化合物进行了药理活性测定,之后考察各苗头化合物(Hit)与靶点的具体结合模式。论文的第一部分综合运用分子对接、类药性评价、基于受体的三维药效团模型及化合物结构聚类分析方法分别对SPECS商品化合物库、Comprehensive Medicinal Chemistry (CMC)成药分子库以及我们实验室其他靶点之前已合成锌酶或非锌酶抑制剂进行了计算机虚拟筛选工作,在此基础上综合多重评价标准挑选出可能与LpxC发生较好相互作用的102个化合物用于随后的抗菌药理活性测试。论文的第二部分内容是运用药效团构建、分子骨架跃迁、先导物跃迁、从头药物设计、生物电子等排体替换等不同的药物设计手段对目前已报道的15个LpxC抑制剂先导结构进行改造优化,并对改造后设计的新化合物分子进行了对接模拟,考察其与靶点的结合模式,以期获得与靶点结合良好的新分子结构。在合理药物设计的过程中,本研究工作尤其针对目前研究极少的LpxC蛋白中的尿嘧啶核苷二磷酸(UDP)口袋进行重点分析和全新药物设计,弥补了现有活性先导物都未能与该亚结合位点产生有效相互作用的不足。论文的第三部分工作是针对第一部分虚拟筛选后获得的102个分子采用96孔板微量肉汤稀释法测定了这些化合物对绿脓杆菌标准菌株和大肠杆菌标准菌株的体外最低抑菌浓度(MIC),并挑选一些活性好的典型分子通过与靶点分子的分子对接作具体的结合模式分析。经MIC测定,最终发现测试的分子中有3个化合物对绿脓杆菌的MIC达到64μg/ml,8个化合物的MIC达到128μg/ml,测试的分子中有2个化合物对大肠杆菌的MIC达到64gg/ml,4个化合物的MIC达到128μg/ml,1个化合物的MIC达到256gg/ml。虽然筛选所得分子的MIC值仍低于已上市经典药物左氧氟沙星、庆大霉素和头孢噻肟钠,但其MIC值已处于美国临床实验室标准化研究所(CLSI,或称NCCLS)对部分药物敏感与耐药的MIC界定值范围内,甚至低于少数药物的细菌敏感MIC限度。因此,这些初步筛选获得的化合物在一定程度上验证了本次虚拟筛选研究工作的合理性,同时,考虑到目前报道的高活性LpxC抑制剂结构的类型和数量均很有限,它们有望作为全新结构类型的抗革兰阴性细菌苗头化合物(Hit)作进一步的研究开发,从而为将来LpxC抑制剂的设计及合成工作提供借鉴和指导。
【关键词】：LpxC 锌离子依赖性蛋白酶 抑制剂 革兰阴性细菌 虚拟筛选
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：R96
【目录】：

• 摘要8-11
• ABSTRACT11-14
• 符号说明14-15
• 第一章 前言15-30
• 1.1 细菌的感染与致病机制15-16
• 1.2 抗菌药物的研究进展16-17
• 1.3 细菌的耐药机制17-18
• 1.4 抗菌新靶点LpxC18-25
• 1.4.1 LpxC的作用机制18-20
• 1.4.2 LpxC的结构20-25
• 1.5 LpxC抑制剂的研究进展25-29
• 1.6 本论文工作的研究意义29-30
• 第二章 以LpxC为靶点的计算机虚拟筛选30-86
• 2.1 引言30-31
• 2.2 虚拟筛选的策略及流程31-35
• 2.3 类药性评价筛选35-36
• 2.4 分子对接筛选36-43
• 2.4.1. 靶点蛋白的选择36-38
• 2.4.2 对接参数设定38-40
• 2.4.3 Glide对接打分评价函数40-41
• 2.4.4 对接方法适用性考察41-42
• 2.4.5 对接结果的选取42-43
• 2.5 基于受体结构的药效团模型筛选43-48
• 2.5.1 基于受体结构的药效团模型(SBP)的构建43-47
• 2.5.2 SBP药效团模型的验证及筛选结果47-48
• 2.6 分子结构的聚类分析及手动挑选48-50
• 2.7 结果与讨论50-86
• 2.7.1 SPECS库筛选结果50-62
• 2.7.2 CMC库筛选结果62-85
• 2.7.3 实验室已合成化合物汇总及其筛选结果85-86
• 第三章 LpxC抑制剂先导物的结构改造86-117
• 3.1 LpxC抑制剂先导结构的选择86-89
• 3.2 构建基于配体的药效团模型89-92
• 3.3 Che-Mapper骨架跃迁92-97
• 3.4 Topomer Search先导物跃迁97-101
• 3.5 全新药物设计101-111
• 3.6 自行设计的药物片段及分子111-115
• 3.7 小结与讨论115-117
• 第四章 筛选化合物的抗菌活性测定117-137
• 4.1 实验原理117
• 4.2 实验材料117-118
• 4.3 实验方法118-124
• 4.4 MIC测定结果124-128
• 4.5 小结与讨论128-137
• 第五章 总结与展望137-141
• 5.1 实验总结137-138
• 5.2 展望138-141
• 参考文献141-146
• 致谢146-148
• 攻读学位期间发表的学术论文148-149
• 附件149-156
• 学位论文评阅及答辩情况表156

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

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本文编号：458083