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摘要金属酶是活性位点含功能必需金属离子的酶的统称，广泛存在于所有生物体内，参与代谢、免疫等各种生物过程的调控，与心血管、肿瘤、神经退行性疾病、感染等人类疾病的发生、发展和转归等过程息息相关。随着人们对金属酶在疾病中角色的认识不断加深，金属酶作为一大类有潜力的药物作用靶标，成为了创新药物研发领域的重要组成部分。目前已有近70个靶向金属酶的小分子药物上市，数个候选化合物正在临床评价阶段。尽管如此，已成功开发的金属酶靶点与实际具有药理活性的金属酶靶点的数量仍相差甚远，这不仅说明了靶向金属酶的研究还有巨大空间，也反映了特异性靶向金属酶的药物发现难度较大，还可能存在一定的知识缺口。充分挖掘日益增长的金属酶-配体相关数据，总结金属酶与配体相互作用的特殊性和一般规律，将对靶向金属酶的药物发展起到促进作用。<br>　　本论文以金属酶-配体相互作用信息为中心，充分挖掘了金属酶-配体复合物结构、金属酶功能、小分子结构、金属-配体结合药效团等数据，从金属酶相似性、小分子配体相似性等角度拓展了数据之间的内在关联，形成了独具特色的金属酶-配体关联信息数据；基于这些数据，进一步构建了公开、免费且易于使用的在线信息与服务平台，为靶向金属酶的药物设计理论与方法研究提供了信息和知识基础。为充分研究金属酶之间的关系来丰富金属酶抑制剂发现的研究手段，本论文还发展了基于药效团和α-碳原子特征的金属酶三维活性位点对比方法，并应用于靶向MBL的药物发现中，为金属酶功能预测、疾病相关性、药物重定位和抑制剂选择性研究等提供新工具和研究思路。<br>　　金属酶-配体关联数据的挖掘及在线信息与服务平台MeLAD的搭建：基于PDB、UniProt和BRENDA等数据库及相关参考文献，利用自主发展的ML-TOOL和脚本程序，从金属酶-配体复合物结构、金属酶功能、小分子结构、金属-配体结合药效团等多角度深度挖掘数据，最终筛选得到了6086个金属酶-配体复合物结构及相关数据。鉴于金属酶-配体配位作用的重要性，作者根据金属离子种类、个数、配位原子等信息对相互作用机制进行了详细的分析，总结并归纳了共计469种金属结合药效团（MBP）特征。根据金属酶结构相似性和配体化学结构相似性分析，获得了3726对结构相似的金属酶和52740对潜在的金属酶-配体相互作用，可以为配体的骨架跃迁提供参考。基于以上内容，作者搭建了一个在线信息与服务MeLAD平台，免费提供给用户来搜索、对比、分析、下载有兴趣的金属酶靶标与配体，还支持为用户预测目标分子潜在的金属酶靶标。我们应用MeLAD平台，发现了金属β内酰胺酶（MBL）的NDM-1亚型为抗炎药物Crisaborole的新作用靶标，为Crisaborole的药物重定位和靶向金属β内酰胺酶的药物发现提供了重要线索。<br>　　金属酶活性位点对比MeCOM方法研究：金属酶活性位点比对可为靶向金属酶的药物研发提供重要信息。虽然现有的许多工具都能够预测和对比蛋白的活性位点，但这些方法无法适用于含有金属离子的金属酶活性位点。因此，作者建立了一种针对金属酶的活性位点预测与比对MeCOM方法。MeCOM的主要功能如下：1）金属酶活性位点的精准识别；2）基于药效团和α-碳特征两种方式表征金属酶活性位点；3）以金属为核心，基于四元组模型实现活性位点之间的最佳匹配；4）活性位点相似性打分；5）对相似金属酶结构的叠合与可视化。我们使用了多种不同的数据集对MeCOM进行了性能测试。对已知活性位点的数据集的测试显示MeCOM对金属酶活性位点识别的准确率达到了97.73%。在对关联金属酶的相似性验证中，同一个晶体结构中不同单体之间和同一种金属酶不同晶体结构之间的相似度普遍较高，体现了MeCOM能一定程度上抵抗活性位点空间位置的变化和小幅的结构变化，准确提取活性位点的特征信息；同一个SCOP折叠类型分类不同金属酶之间的比对结果提示MeCOM只识别并对比特异性的活性位点特征，而不受金属酶二级结构的影响；同一家族不同金属酶之间的对比结果充分表明MeCOM能够准确地识别不同家族的金属酶以及同一家族不同亚型的金属酶，能够为蛋白质功能预测与金属酶分类提供依据和参考。我们还将MeCOM方法应用于靶向MBL的药物发现，将MBL与其他金属酶的活性位点进行对比，根据相似金属酶结合的配体，获得了多个可能与MBL配位结合的MBP骨架，并基于这些MBP遴选了一批上市药物，发现了乙酰唑胺、雷西纳德、阿伦膦酸钠、利塞膦酸钠、米诺膦酸和唑来膦酸等药物均为MBL抑制剂，为靶向MBL的抑制剂设计提供了新骨架与新方向。<br>　　总之，本论文通过对金属酶相关数据的挖掘与拓展，创新性构建了首个金属酶-配体关联信息与服务平台，发展了首个金属酶活性位点对比方法。在MeLAD数据库与MeCOM方法的应用中，我们发现了MBL亚型NDM-1是抗炎药物Crisaborole的新作用靶标，同时发现了乙酰唑胺等多种上市药物作为新的MBL抑制剂，不仅验证了发展的平台和方法的实用性，也为靶向MBL研究提供了新的苗头/先导化合物。同时，为相关研究人员提供了新的信息和工具，期望能够一定程度上促进靶向金属酶的药物发现。