基于肽脫甲?；附Y構的抗生素設計和合成研究.pdf

1、原核生物核糖體介導的蛋白質的合成中，在形成起始復合物之前甲硫氨酸-tRNA<'fMet>先進行甲?；复呋募柞；杉柞＜琢虬彼?tRNA<'fMet>：在肽鏈合成一定階段后，由肽脫甲?；?PDF，Peptide deformylase)催化脫甲?；?，然后由甲硫氨酸氨肽酶(MAP)脫去啟動時接上的甲硫氨酸。肽脫甲?；?PDF，Peptide deformylase)是細菌生長過程中蛋白質合成所必需的一個酶，但在真核細胞蛋白質合成

2、中并不需要，因此，PDF成為令人感興趣的新的抗菌藥物作用靶點。 PDF作為抑菌靶點的生化過程很明確，其晶體結構和活性部位也已經(jīng)比較清楚，研究進展較快，2002我們開始研究時共有28個晶體結構報道，至2006年初已有47個晶體結構報道。目前已報道與PDF抑制劑有關的抗生素共有異羥肟酸類、N-甲酰羥胺類、巰基肽類、苯并喹唑啉酮類及其它五類結構，其中異羥肟酸類進展最快，British Biotech和GeneSoft的BB-83698

3、，Vicuron的VRC-4887已進入臨床研究，它們對金黃色葡萄球菌(包括耐甲氧西林者)、肺炎鏈球菌、腸球菌和一些耐藥鏈球菌同樣有效，因此，PDF抑制劑的研究已經(jīng)成為了前景樂觀的新的抗生素研究領域。 本研究從PDF晶體結構出發(fā)進行藥物分子設計；通過對現(xiàn)有藥物分子特征分布的研究確定設計分子的“預篩指標”，還對受體和對接方法的合理性進行了考察。從理論上提出了藥物分子結構的規(guī)律，設計了多類結構的化合物，并合成了一類典型化合物。通過活

4、性測定，說明了理論設計的合理性與有效性。為了提高理論設計的準確性，克服對接方法的不足，本研究還采用分子動力學模擬方法考察了設計化合物的結合能，通過于化合物測定活性的比較，證明了采用分子動力學模擬方法得到了得結果，有較高參考價值，本研究的主要內容摘要如下： 1．PDF序列的分類及晶體結構對所有PDF序列的代表性 對已經(jīng)報道的567個PDF的序列進行了比對，根據(jù)一級結構分成三大類，也即革蘭氏陽性、革蘭氏陰性和其它三類。對比對

5、的序列對應位置上的殘基進行了宏觀性質指標(包括：極性、柔性、構象參數(shù)等)分析，結果表明各種來源的PDF結構上有較大的相似性。 文獻報道了45個晶體和2個NMR測定結構，我們在設計藥物時通常都以已知結構為基礎進行。所以，本研究又分析了已知立體結構的PDF序列的相似性，結果表明其具有較高的相似度，立體結構框架基本一致。在567個PDF所分成的三類結構中分別選擇親源性較遠的序列，在晶體結構中都可以找到與它們相似度較高的序列，表明晶體結構具

6、有廣泛的代表性。因此，基于現(xiàn)有的晶體結構進行藥物設計得到的抑制劑，非?？赡芫哂袕V譜抗菌作用，這也使得基于PDF的藥物設計更有意義。 2．常用藥物分子特征指標和預篩指標 通過對現(xiàn)有藥物的分子特征描述符(包括：極性、非極性、油水分配系數(shù)、氫鍵受體、氫鍵供體、分子大小、正電荷、負電荷等相關的指標)進行了計算，得到分布概率，確定了各項指標的分布范圍。對常用藥物的副作用進行收集整理，根據(jù)人系統(tǒng)和組織主要將非特異性副反應分為：血液系

7、統(tǒng)、心血管，胃腸道、神經(jīng)系統(tǒng)、腎臟、呼吸系統(tǒng)、肝臟、皮膚反應等類別。分子特征符與副作用之間的統(tǒng)計規(guī)律大體可以概括為：極性大分子中，電荷偏多容易帶腎臟、胃腸道和血液副反應；活性基團偏多的藥物容易對肝臟產(chǎn)生毒性；結構上極性偏小、脂溶性和芳香性較大的分子容易具有過敏反應和神經(jīng)系統(tǒng)反應。對副反應有關的指標進行關聯(lián)度分析，確定了最有代表性的指標及其分布范圍，最有代表性的指標包括：a_don、a_aec、Weight、logP(o/w)、Q_VSA

8、_FHYD、vsa_pol、Q_VSA_POL、CASA-、Q_VSA_PNEG、CASA+、Q_VSA_PPOS。通過這些指標的預篩，在設計的早期就可以過濾掉許多風險很大的化合物，從而提高設計的實際效率。 3．對接受體模板的確定 選擇適當?shù)氖荏w蛋白作為對接模板是分子設計最關鍵的問題之一。通過將PDF 47個已知結構進行疊合，以PDB(protein databank)代號為1bsk的結構為參比，分析了不同結構的活性

9、區(qū)域周圍氨基酸的分布，由此將對接模板分成了9類(其中2類是最新報道的)。以所有疊合后的結構為基礎，分析了活性區(qū)域中對應氨基酸殘基骨干a碳的坐標差異，結果表明不同PDF在某些殘基上存在一定的差異，相同序列的酶晶體結構與NMR結構的差異較大。為了考察活性區(qū)域的變化情況，選擇了六個殘基的a碳形成的三角柱形作為活性區(qū)域的框架，計算了框架的邊長(各對原子間的距離)，結果表明，不同晶體結構的活性區(qū)域框架比較類似，晶體與NMR結構的差異相對較大。根據(jù)

10、活性區(qū)域殘基分布和疊合情況，最后選擇了10個結構(PDB代碼為：1bs8、1bsk、1g27、11m4、11m6、11qy、11ru、1r14、1rn5、1s17)作為下一步對接計算的模板。 4．對接方法的研究 比較了FlexX、DOCK5、MCDOCK等三種對接方法的結果。為了排除分子大小對VDW能量項的影響，將對接分數(shù)進行了處理，包括原子數(shù)、重原子數(shù)、分子VDW體積等校正，發(fā)現(xiàn)DOCK5和MCDOCK的對接分數(shù)與

11、分子量之間存在較大的相關性。三種方法中FlexX方法受化合物分子量影響最小，而且分辨率最高，所有校正方法中FlexX對接評分除以vdw體積校正的方法受化合物分子量影響最小，且分辨率較高，因此在后面的計算中我們均采用FlexX對接方法。MCDOCK和DOCK5不管如何處理都很難抵消分子大小的影響，主要考慮減少分子量的影響時，可以進行總原子的根號值校正，主要考慮分別率時，可用VDW的立方根值進行校正。 5．分子的設計 根

12、據(jù)晶體結構中配體與受體的結合方式，將分子分成三部分：離子結合區(qū)、骨架區(qū)和修飾區(qū)。設計工作分兩條線進行，第一條線，首先分別設計離子結合區(qū)和骨架區(qū)不同結構，逐步增加取代基，每步考慮的取代基主要涉及極性、幾何和芳香等不同的代表性結構，最后得到核心結構。第一條的線改造的目的主要是希望以環(huán)狀結構取代帶兩個手性中心骨干區(qū)。第二條線，基于已知的配體MET-GLY-SER、actinonin和明系列的結構，從修飾區(qū)開始改造，逐步往骨架區(qū)改動，得到核心結

13、構。共得到了5類代表性核心結構及其最優(yōu)規(guī)律，為進一步工作打下了基礎。 6.化合物的合成 在上述設計的代表性結構中，選擇了化學上比較容易實施的一類化合物進行了合成。以3-戊基丁二酸單甲醑作為起始物，在DCC作用下羧基與炔丙胺進行偶聯(lián)形成N－炔丙基的中間體，接著與取代苯甲醛肟進行1，3-偶極環(huán)加成反應得到含異噁唑環(huán)的中間體，最后將酯基與羥胺進行羥胺化形成所要的異羥肟酸類產(chǎn)物：2-戊基-N<'4>-羥基-N<'1>-[3-(取

14、代苯基)異噁唑基-5-]甲基丁二酰胺。合成的6個化合物經(jīng)初步測定對肺炎克雷伯和短小芽孢桿菌都有明顯的抗菌活性。表明基于PDF的理論設計取得了一定的成功。 7.化合物與PDF結合能的分子動力學模擬對接方法在理論上做了大量的簡化，特別是把受體當作剛性處理，方法本身的誤差使分數(shù)差異一定范圍內的結構無法準確評價，而實際合成和測定化合物活性是非常困難的事。為了提高理論預測活性的準確性，我們以分子動力模擬評價了典型分子與lbsk的結合能，并