【摘要】：藥物-靶標結合親和力(Binding Affinity)可以用熱力學參數(shù)(如結合常數(shù)KA、解離常數(shù)KD或結合自由能AGbinding)表示,是表征藥物與靶標結合強度和藥物-靶標復合物穩(wěn)定性的重要參數(shù)；藥物-靶標結合動力學參數(shù)(如結合速率常數(shù)kon和解離速率常數(shù)koff或結合活化自由能△Gon≡和解離活化自由能△off≠)既決定藥物-靶標結合的熱力學參數(shù)(KA=kon/koff),又與藥物的藥效、毒性等性質(zhì)密切相關。傳統(tǒng)的藥物設計采用的是藥物-靶標結合親和力驅動的策略,認為結合親和力是藥理學的主要分子基礎—結合親和力越強,藥效就越好。然而,最近的研究表明,與藥效和藥物安全性直接相關的是藥物-靶標結合動力學,而非結合親和力。因此,藥物-靶標結合動力學逐漸得到重視,藥物研發(fā)策略也逐漸開始既考慮藥物結合親和力,又重視藥物結合動力學。然而,迄今為止可高效、準確預測結合動力學參數(shù)的計算方法仍然匱乏；此外,盡管結合熱力學計算方法已歷經(jīng)多年的發(fā)展,但仍存在一些局限性和瓶頸問題,如結合親和力(結合自由能)的計算精確性低；現(xiàn)有分子對接方法不能適用于一些特殊的靶標體系；分子模擬中的蛋白質(zhì)柔性處理不夠理想、分子構象空間采樣不充分問題等等。 立足于解決上述藥物設計方法中存在的關鍵科學問題,本博十論文圍繞藥物-靶標結合熱力學和結合動力學的計算,發(fā)展了一系列藥物設計新方法,并與藥物設計實踐相結合,開展了系統(tǒng)性的研究工作。首先,本文第1章綜述了藥物-靶標相互作用和結合的原理、結合熱力學和結合動力學計算方法的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題,為本文奠定了研究基礎。第2章至第6章主要以發(fā)展或改進結合熱力學相關的藥物設計方法為主。第2章基于Ising模型與晶格理論,針對藥物-離子通道相互作用特性,通過較為嚴格的數(shù)學推導,獲得了定量描述藥物與離子通道相互作用及其量-效關系的統(tǒng)計熱力學模型,并將其應用于激動劑ztz240與鉀離子通道KCNQ2作用機制的研究,準確地描述了ztz240-KCNQ2的量-效曲線,闡述了ztz240-KCNQ2的微觀作用機制,預測了ztz240激活野生型／突變體雜合型KCNQ2離子通道的雙S型量-效曲線,預測結果得到定點突變和電生理實驗的確證。本文第3章改進了小分子構象采樣方法Cyndi對構象能量的計算準確性,以此設計了計算速度快、構象采樣準確率高和構象采樣數(shù)目適宜的基于多經(jīng)驗準則(MECBM)的小分子構象采樣方法,并將MECBM與其他藥物設計方法聯(lián)用,以表皮生長因子受體(Epidermal Growth Factor Receptor)的耐藥型突變體EGFR-T790M/L858R為靶標,結合生物活性篩選實驗與化合物結構修飾與優(yōu)化研究,獲得一系列高活性抑制EGFR-T790M/L858R的蝶啶酮類抑制劑,酶和細胞活性均高達低nM水平。本文第4章和第5章分別針對特殊的靶標體系(DNA和金屬蛋白酶),發(fā)展了配體-DNA打分函數(shù)和配體-金屬蛋白酶打分函數(shù),借助非支配排序的多目標遺傳算法NSGA Ⅱ,分別設計和發(fā)展了基于多目標優(yōu)化模型的配體-DNA分子對接方法iDNASBinder和配體-金屬蛋白酶分子對接方法iMpsDock。研究結果表明,DNASBinder可有效預測和表征配體分子與DNA堿基序列間的選擇性結合機制,成功發(fā)現(xiàn)了轉錄因子AP-1(Activator Protein1)靶基囚序列的選擇性結合劑藜蘆胺等,被證實是靶向DNA藥物設計的有力工具；iMpSDock可合理定量配位鍵的熱力學性質(zhì),準確模擬和預測金屬離子-配體間的多種配位鍵成鍵形式,成功建立了喹啉-4-甲酸酯類抑制劑與法尼基轉移酶FTase(Farnesyltransferase)的構-效關系,為這類化合物的結構修飾與活性優(yōu)化提供了線索,是靶向金屬蛋白酶藥物設計的有力工具。本文第6章通過重組和調(diào)整藥物-靶標結合自由能計算方法MM-GBSA(Molecular Mechanical-Generalized Born Surface Area)中能量項的方法,設計了可針對特定靶標體系矯正和優(yōu)化的結合自由能計算方法,并在此基礎上設計了考慮蛋白質(zhì)柔性和顯性水分子的分子對接多目標優(yōu)化模型,發(fā)展了分子對接方法iFitDock。研究結果表明,iFitDock預測藥物分子和蛋白質(zhì)柔性殘基的活性結合構象的準確性高,并可合理表征關鍵水分子在藥物-蛋白質(zhì)間的介導作用。本文通過以2-氯-4-甲基-N-(2-奈基)-噻唑-5-酰胺為探針分子,采用iFitDock發(fā)現(xiàn)了人源二氫乳清酸脫氫酶(Human Dihydroorotate Dehydrogenase, hDHODH)的新結合位點,預測結果通過X-射線實驗確證,進一步說明iFitDock是藥物-靶標識別模擬中的有效新工具。本文第7章基于蛋白質(zhì)折疊能量全景圖(Energy Landscape)理論和化學反應過渡態(tài)理論,采用藥物-靶標識別模擬方法iFitDock,引入藥物-靶標結合構象空間離散化技術,發(fā)展了藥物-靶標結合自由能全景圖(Binding Free Energy Landscape)構建方法和藥物-靶標結合熱力學與動力學參數(shù)計算方法,并分別以抗阿爾茲海默病藥物石杉堿甲(-(-)Huperizine A, HupA)和愛憶欣(Aricept(?), E2020)與加利福尼亞電鰩乙酰膽堿酯酶(Torpedo California Acetylcholinesterase,TcAChE)為體系,展開計算研究,通過與實驗結果比較發(fā)現(xiàn),HupA-TcAChE體系的結合自由能、結合活化自由能和解離活化自由能的計算預測值與實驗值的偏差均小于1kcal/mol, E2020-TcAChE體系的相應計算結果與實驗值的偏差均小于2kcal/mol,計算結果與實驗結果相符合,說明本方法具有一定的準確性和可靠性,為基于藥物一靶標結合動力學的藥物設計策略了提供有力新方法。最后,本文第8章總結了全文的研究工作,并展望了今后的研究工作。 綜上所述,本文圍繞藥物一靶標結合熱力學的計算,發(fā)展了一系列藥物設計理論模型與藥物設計新方法,包括定量描述激動劑激活離子通道量-效關系的統(tǒng)計熱力學模型、配體-DNA分子對接方法iDNASBinder和配體-金屬蛋白酶分子對接方法iMpSDock、考慮蛋白質(zhì)柔性及顯性水分子的分子對接方法iFitDock,完善或改進了基于結合熱力學的藥物設計方法；更為重要的是,本文發(fā)展了高效、準確性較高的藥物-靶標結合動力學計算方法,為基于藥物-靶標結合動力學的藥物設計提供了有力工具。
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【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：R91

【參考文獻】

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本文編號：2449872