蒋华良:可药性蛋白质-蛋白质相互作用界面理论预测和药物设计新方法

2023-05-10 14:56:27

可药性蛋白质-蛋白质相互作用界面理论预测和药物设计新方法

蒋华良

2016年12月1日

1.方法简介

2016年11月29日,《美国国家科学院院刊(Pro Natl Acad Sci U.S.A. )》在线发表了美国莱斯大学(Rice University)José N. Onuchic 课题组和我课题组合作论文---Elucidating the druggable interface of protein-protein interactions using fragment docking and coevolutionary analysis,文章见下链接(可点击原文阅读进入网址):(http://www.pnas.org/content/early/2016/11/28/1615932113.abstract)。

该项研究成果在可药性蛋白质-蛋白质相互作用(PPI)界面预测与识别计算方法发展方面取得重要进展。蛋白质-蛋白质相互作用对是生物网络的重要组成原件,在细胞命运决定、信号转导等生命过程中起重要作用,也是疾病发生和发展的重要环节。因此,蛋白质-蛋白质相互作用界面已经成为新药发现的重要靶标。然而,蛋白质界面具有作用面积大、相对平坦等特点,不利于药物分子、特别是小分子药物的结合,使得基于蛋白质-蛋白质界面的药物设计面临严峻挑战。因此,发展可药性蛋白质-蛋白质界面预测理论计算方法及其相应的药物设计方法,用于细胞信号通路研究和靶向蛋白质-蛋白质界面的合理药物设计,是一项十分紧迫并意义重大的研究课题。

基于这样的需求,我课题组和Onuchic 课题组合作,综合应用分子对接和PPI共进化分析方法,发展了能预测蛋白质-蛋白质相互作用界面的预测方法Fd-DCA,该方法以一系列有机小分子碎片与氨基酸残基作为探针分子,搜索蛋白质表面探针分子可紧密结合的热点(hot spot)残基区域,并以此勾勒出蛋白质-蛋白质相互结合的潜在的位点;应用蛋白质-蛋白质作用共进化分析方法(DCA),通过评价蛋白质-蛋白质相互结合位点间进化偶合信号强度,确定蛋白质-蛋白质的准确结合位点。该方法在预测蛋白质-蛋白质相互作用界面的同时,还能预测结合位点可药性区域(药物可能结合的区域),并提供了探针分子与可药性区域的多样性结合模式,为基于片段的药物设计提供直接线索。

2.第一作者简介

论文第一作者白芳是大连理工大学和中国科学院上海药物研究所联合培养的博士生,导师是大连理工大学力学系王希诚教授和我,。白芳现在Rice大学跟随Onuchic教授从事博士后研究。在攻读博士学位期间,,综合应用化学反应过渡态、蛋白质折叠、多目标优化等理论和新算法,发展了能精确预测药物-靶标结合速率常数和解离速率常数的理论计算新方法。该方法部分解决了现有药物设计方法不能预测药效的问题,论文发表在PNAS 2013, 110: 4273-4278。这次发展的蛋白质-蛋白质作用界面预测方法中搜寻碎片分子结合位点的方法iFitDock,即为发展药物-靶标结合速率常数和解离速率常数方法时发展的。白芳在发展理论计算方法的同时,与生物学和药学科研人员进行了广泛深入的合作应用研究,在美国仅2年,合作结果在PNAS等杂志上发表3篇论文。Fd-DCA在靶标功能确证和药物设计方法的主要应用结果见下。

3.方法应用

CLV是从热带藤黄属植物分离得到的笼状氧杂蒽酮类天然产物的核心结构,以色列大学Nechushtai课题组发现了这类化合物具有较好的抗乳腺癌活性,并且抗肿瘤活性与调控线粒体膜上的蛋白质活性有关。MAD-28和MAD-44是CLV的合成衍生物。进一步的生物学实验表明,这些化合物的可能作用在NEET和营养丧失自噬因子NAF-1等蛋白质上。白芳在发展Fd-DCA方法的同时,与Nechushtai等开展合作研究,用Fd-DCA第一版本发现CLV等化合物作用于NAF-1与Bcl-2(最近网上和新媒体上广受关注的抗肿瘤药物靶标之一)结合的界面,为NEET和NAF-1作为抗肿瘤药物靶标的功能确证指明了方向,研究结果发表在PNAS 2015, 112: 3698-3703。获得MAD-28等化合物在NAF-1上的结合位点后,根据结合位点的结构特征,白芳设计了MAD-28类似物,其中3个化合物与蛋白质的结合亲和性从原来的74.8 μM分别提高到29.0、9.2和12.3nM,活性提高了上千倍(未发表);同时,白芳又与与Nechushtai和北德克萨斯州大学Mittler合作,发现并确定抗2型糖尿病药物吡格列酮也作用于NAF-1同一位点,可有效抑制NAF-1稿表达表达的乳腺癌的发展, 研究成果发表在PNAS 2016, 113: 10890–10895。

本研究方法发展成熟后,白芳与加利福尼亚圣地亚哥分校Theodorakis 金和NIH癌症研究所的Necker合作,发现了Hsp90β中段结构域上存在可药性结合口袋,该结合口袋与其同家族蛋白质Hsp90α 相应区域具有高度的结构区分性。在此基础上,白芳发现第一个Hsp90β选择性抑制剂---一个非常有名的具有广泛抗肿瘤天然产物藤黄酸(Gambogic acid),  进一步改造后获得活性更强的衍生物DAP-19等(部分化合物仍在实验合成阶段), 为靶向Hsp90β的抗肿瘤新药发现研究提供了新的方向,研究成果发表在PNAS 2016,113:E4801-E4809。


该项目获得中国973计划、中国国家自然科学基金、美国国家基金委员会(NSF)、德州癌症预防与治疗中心基金(Cancer Prevention and Research Institute of Texas)、威尔士基金(Welch Foundation) 的支持。

下面的PPT简要介绍我们的研究结果、应用情况以及未来发现的一些设想。PPT的制作得到了第一作者白芳的大力协助(手机界面单击PPT图片可放大阅读)。




















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