基于MT7生物毒素的M1受体高选择性先导物的改造及其药理活性研究

Through evolution over hundreds of millions of years, biotoxins have possessed high molecular diversity and target specificity and become key molecular probes for new disease targets and pivotal lead structures for innovative drug discovery. MT7, a peptide toxin isolated from the venom of Dendroaspis snakes, is the only natural ligand with high M1 receptor subtype selectivity. MT7 binds to the M1 receptor subtype with subnanomolar affinity, at least four orders of magnitude higher than other four subtypes. M1 receptor is closely related to several diseases, such as Alzheimer's disease. However, poor subtype-selectivity has become the crucial factor to limit the research and development of M1 receptor ligands. In this project, molecular dynamics simulation is used to establish the interaction models between MT7 and all five muscarinic receptor subtypes; site-directed mutagenesis is utilized to confirm the critical residues for the high M1 receptor subtype selectivity of MT7; structural modification is used to modify MT7 to oligopeptide and small molecular mimics; and pharmacological evaluations are utilized to obtain lead compounds with M1 subtype-selective agonistic or antagonistic activities from these mimics. Our results will not only contribute to understand the structural biological mechanisms under the M1 receptor subtype selectivity of MT7 and the chemical biological properties of MT7 mimics, but also provide a new strategy for the exploration of potential therapeutic M1 receptor modulators.

亿万年进化演变赋予生物毒素高度的分子多样性和靶点特异性，成为探索疾病新靶点的关键分子探针和创制新药的重要结构来源。从曼巴蛇毒中分离的多肽毒素MT7是迄今唯一具有M1受体高亚型选择性天然配体，其与M1受体亚型的亲和力为其他亚型的万倍。M1受体与阿尔茨海默病等多种重大疾病密切相关，亚型选择性低是制约M1受体药物临床应用的关键问题。本课题拟采用分子动力学模拟探寻MT7与M受体各亚型结合模式的异同；定点突变确证MT7具有M1受体高亚型选择性的关键作用残基；结构改造制备MT7寡肽及小分子模拟物；测定药理活性评价模拟物的结合特征及内在活性，最终获得具有M1受体高选择性激动或拮抗活性的小分子先导物。研究成果不仅有助于阐明MT7具有M1受体亚型选择性的结构生物学基础和MT7模拟物的化学生物学特征，而且为探寻有潜在临床价值的具M1受体调节活性的先导物提供创新思路。

阿尔茨海默病（AD），俗称老年性痴呆，是最常见的神经退行性疾病，随着人口快速老龄化，AD已经成为继心脑血管疾病和癌症之后危及老年人生命的第三大病因，带来沉重的医疗负担和严重的社会问题。基于胆碱能假说寻找M1受体选择性激动剂一直被认为是AD干预药物研发的重要策略。但M1受体正位位点结构与序列高度保守，如占诺美林等药物M1受体亚型选择性较差，临床试验发现具有严重不良反应。提高亚型选择性是降低M1受体药物不良反应、提高临床应用价值的唯一方法和药物研发的主要方向。.本课题基于唯一具有M1受体亚型绝对选择性的天然多肽毒素MT7，通过构建MT7与M受体复合物模型以及分子动力学模拟分析，阐明天然多肽毒素MT7与M1受体亚型4.60、4.63及7.35位点产生高选择性相互作用的模式；依据上述作用模式通过构建截短体和环肽的方式改造 MT7，获得含关键氨基酸残基作用特征的MT7模拟肽Pep_C、Pep_G等；基于放射配基结合实验等方法明确小分子MT7模拟物的M1受体亚型选择性及受体后调节活性特征，获得具有潜在AD干预价值的先导物。此外，基于胆碱能假说，对多种胆碱能药物与受体或酯酶靶点的相互作用模式、药效学及药动学特征进行拓展性研究，发现DDDA-3等具有较好成药性的新型先导物。上述研究为胆碱能系统AD干预新药的研发提供重要的化学生物学信息，具有较高的创新性和科学性。.本课题研究成果发表SCI 收录的论文6篇，发表中文核心期刊论文4篇，申请并获得中国发明专利授权2项，获得国际发明专利授权1项。参加2014年世界基础和临床药理学大会并做分会场口头报告，汇报研究成果。建成一支从事相关领域基础研究并具有一定影响力的学术队伍，培养博士研究生2名和硕士研究生4名。本课题部分研究成果获得2016年“教育部高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）”科技进步奖一等奖和2015年中华医学科技奖二等奖。