基于分子模拟新型骨架DprE1酶抑制剂的构建、设计及抗耐药结核分枝杆菌构效关系研究

Tuberculosis is one of the diseases with the highest morbidity and mortality, developing its novel antagonists is urgently required especially when taking the low activity of current drugs caused by multi-drug and broad-spectrum resistant strains into consideration. Mycobacterium tuberculosis is resistant to the dominant antibiotics partly due to its sophisticated cytoderm, so impeding the formation of cytoderm currently acts as the main idea to develop anti-tuberculosis drugs. DprE1 is an enzyme to interdict the synthesis of Araexclude, an essential component of the cytoderm of M. tuberculosis, hence causing its death. Because of the pathogen-specific characteristic of DprE1, it has become a totally new drug target to control tuberculosis..Uncovering the interaction mechanism between DprE1 and its inhibitors and designing new framework inhibitors of DprE1 become possible with the resolution of DprE1 crystal structure. In this project, to construct high throughput drug screening of the DprE1 inhibitors with new framework and to study the structure-activity relationship between the new inhibitors and M. Tuberculois, molecular simulation techniques including molecular dynamics simulation, pharmacophore model, molecular docking and binding free energy calculation etc. are approached to be taken. Designing novel framework inhibitors based on the study of their strucrue-activity realtionship with M. tuberculosis would be a new way to develop totally novel drugs of high efficiency to drug-resistant strains.

结核病是患病率及死亡率最高的疾病之一。由于多重耐药和广谱耐药结核病的出现，现有抗结核病药物已不能满足治愈需求，研发抗结核新药迫在眉睫。结核分枝杆菌具有复杂的细胞壁，对大多数常用抗生素具有抗性，阻碍细胞壁的形成是目前开发抗结核药物的主要思路。DprE1 酶能够阻断结核分枝杆菌细胞壁必要组成部分阿拉伯聚糖的合成，杀死细菌;DprE1存在于病原体，人类宿主细胞中没有相关同源蛋白，成为不同于现有抗结核病药物靶点全新的抗结核药物靶点。.2014年12月DprE1完整晶体结构被解析，为深入研究DprE1酶与其抑制剂之间相互作用机制以及设计新型骨架抑制剂提供了可能。本项目将采用分子动力学、药效团、分子对接及结合自由能计算等分子模拟技术，构建出用于发现新型骨架DprE1抑制剂的高通量虚拟筛选方法和流程，通过构效关系研究，设计和开发出对耐药性结核杆菌的高效药物，为全新抗结核药物的开发提供新的思路和方法。

作为结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis, MTB）细胞壁形成过程中的一个关键酶，DprE1目前已成为一个全新的抗结核药物靶点。本项目以完整的DprE1酶复合TCA1与Ty38C的晶体结构为基础，首先通过长时间尺度下的分子动力学模拟以及单残基能量分解等方法，探索了影响TCA1与Ty38C两个化合物活性大小的结构特征及DprE1活性位点内对活性影响较大的氨基酸残基的编号及残基类型，已获得DprE1活性位点对TCA1、Ty38c活性大小影响较大的关键残基；基于DprE1-TCA1与DprE1-Ty38c的代表性构象和单残基能量分解的结果，使用基于结构的方法，构建出了具有非常好的早期富集能力且具有较好的活性预测能力，可用于大规模化合物数据库的高通量药物虚拟筛选的药效团模型；通过近50万个小分子化合物三维构象数据库的高通量虚拟筛选，得到了一系列与药效团匹配的化合物。进一步利用分子对接对筛选出的小分子化合物进行复筛及高斯形状相似性函数与基于分子动力学模拟的结合自由能工作流的精筛，最后通过小分子指纹图谱聚类分析获得骨架较为新颖的候选化合物；通过对候选化合物进行DprE1酶抑制活性评价，获得了结构新型的DprE1抑制剂。使用带有绿色荧光蛋白表达载体的牛型结核分支杆菌减毒株（BCG）作为新型DprE1抑制剂的测试菌株进行体外抑制MTB实验，成功获得了高活性的抗MTB的先导化合物，其化学骨架结构不同于已发表的其它抗MTB的DprE1的抑制剂，有进一步进行结构改造得到更高活性抗MTB的潜力和价值。本项目构建的发现新型骨架抗结核药物的思路与方法可为新型农药和其它新药的研发提供理论指导和方法借鉴。