【开题报告】海洋天然产物hymenialdisine及其类似物与CDK5作用模式的研究

开题报告

生物技术

海洋天然产物hymenialdisine及其类似物与CDK5作用模式的研

究

一、选题的背景与意义：

海洋天然产物与陆生天然产物相比具有更加复杂多样、新颖奇特的结构以及多元化的生物活性和机制。在浩瀚的海洋中存在着大量超乎人们想象的化学结构新颖、生物活性多样、作用机制独特的次生代谢产物,将成为发现重要先导药物的主要源泉和研制开发新药的基础。近年来统计资料表明:从海绵中发现的天然产物约占已发现的海洋天然产物总数的38%左右,从海绵中已发现大量的抗细菌、抗真菌、抗肿瘤、抗病毒和免疫调节等活性物质。海绵生物活性物质按照化学结构类型可分为多糖类、聚醚类、大环内脂类、萜类、生物碱类、多肽类、甾醇和不饱和脂肪酸等。如hymenialdisine和debromohymenialdisin是首次从小轴海绵(Axinella sp)中分离得到的含吡咯七元环内酰胺的生物碱类化合物，是天然的CDK5的选择性抑制剂。海绵中存在结构和数量如此丰富的有潜力开发成药物的生物活性物质,使得对海绵的化学成分的研究成为海洋天然产物研究的一个热点和重点领域。

在500多个蛋白激酶中，细胞周期蛋白依赖性激酶(cyclin-dependent kinases,CDKs)是研究最多的一个Ser/Thr蛋白激酶家族。CDKs的单体呈非活性构象，首先与其相应的细胞周期蛋白（cyclins）结合成Cyclins/CDKs。组成全酶后仍无活性,CDKs作为催化亚单位，其活性状态由CDKs分子中的Thr、Tyr残基的磷酸化和去磷酸化修饰决定,首先CDKs分子上游的CDK激活激

酶(CAK)催化其分子上ATP结合点附近的一个保守的苏氨酸被磷酸化,后再由CAK激活激酶(CAKAK)催化使Thr残基磷酸化和Tyr残基去磷酸化,CDK即被激活,而活化的Thr残基去磷酸化则使CDK失活。目前已发现十多种CDKs，包括控制细胞周期进程的CDK1,2,3,4,6，控制细胞转

录的CDK7,8,9和调控神经元损伤的CDK5。CDKs的活性异常会导致疾病。

CDK5具有一个特殊的功能即调控神经元损伤，当CDK5过度激活而且分布部位发生改变时，CDK5激酶的大量激活参与τau的磷酸化，促进τau蛋白堆积从而参与了阿尔茨海默氏病(Alzheimer’s disease，AD)、帕金森氏病(Parkinson’s disease, PD)、亨廷顿氏病(Huntington’s disease, HD)以及脊髓侧索硬化症(amyotrophic lateralsclerosis, ALS)等众多神经退行性疾病的发生发展。故以CDK5为靶标，以海样天然产物hymenialdisine作为先导化合物，拟综合采用分子对接、QSAR等计算机辅助药物分子设计的方法，了解CDK5 ATP结构口袋的特性，指导CDK5抑制剂

的设计。研究针对抑制CDK5过度激活的药物, 可能是有望从根本上治疗神经退行性疾病的有效途径。

二、研究的基本内容与拟解决的主要问题：

（一）研究的基本内容：

1.将活性最高的hymenialdisine衍生物结构进行分子力学MM2优化，得到低能构象

2.将小分子抑制剂(配体)放置于CDK5(受体)的活性位点处，寻找合理的取向和构像，完成分子对接，得到合理的药效构象

3.在合理药效的基础上构建其它抑制剂结构

4.用CoMFA和CoMSIA软件计算参数，建立三维定量构效关系3D-QSAR模型

5.了解CDK5 ATP结构口袋的性质，指导CDK5抑制剂的设计

（二）拟解决的主要问题：

以CDK5为靶标，以海样天然产物hymenialdisine作为先导化合物，采用分子对接方法从分子水平阐明抑制剂与CDK5的作用机制，建立3D-QSAR模型了解CDK5 ATP结构口袋的特性，指导CDK5抑制剂的设计。

三、研究的方法与技术路线：

（一）研究方法：

1.分子对接

分子对接方法(Molecular Docking Method)已成为药物设计方法中比较成熟的直接药物设计方法。分子对接是将小分子配体放置于受体的活性位点处，并寻找其合理的取向和构象。药物(配体)一激酶（受体）相互作用是一个综合平衡的过程，并且药物还必须取得一定构像，以“适应”受体结合部位的“空腔”形状和构像变化。同时，为配合与药物的结合，受体的构像也会发生相应的变化，这就是所谓的“诱导契”。影响复合物分子稳定性的主要因素是疏水作用和键合力大小，而影响键合力的因素有作用位点空间位的互补、静电相互作用和氢键等，所以分子对接的过程主要包括分子间的空间互补和电学性质互补。

2.比较分子场分析（CoMFA）法

药物分子与受体之间的可逆相互作用主要是通过非共价作用，如范德华相互作用、静电相互作用、氢键相互作用和疏水相互作用等。作用于同一个受体的一系列药物分子，他们与受体之间的各种作用力场应该有一定的相似性，比较分子场分析（CoMFA）法就是研究这些药物分子周围的力场分布，并把它们与药物分子活性定量地联系起来。

CoMFA的基本步骤:

1.化合物分子的活性构象，按照一定的规则，把它们重叠在一个包含全部化合物分子的空间网

格上。

2.化合物周围各种作用场的空间分布。

3.使用偏最小二乘法（PLS）确定QSAR关系式。

4.用三维等值线图（Contour Maps）显示计算结果。

3.比较分子相似性指数分析(CoMSAI)法

在药物分子与受体之间的可逆相互作用主要是通过非共价键结合,如范德华相互作用、静电相互作用、氢键相互作用和疏水相互作用实现的。作用于同一个受体的一系列药物分子,它们与受体之间的各种作用力场应该有一定的相似性。这样,在不了解受体三维结构的情况下,研究这些药物分子周围的力场分布,并把它们与药物分子活性定量地联系起来,既可以预测受体的某些性质,又可依此建立一个定量模型设计新化合物,并定量地预测化合物的活性。COMSIA建立模型引入依赖于距离的高斯Gaussian函数,可避免分子表面附近格点处势能的急剧变化以及异常值的出现,使接触面上势能的变化比较缓和,从而降低了取向、位置、格点划分对分析结果的影响。因此CoMSIA方法可以克服CoMFA方法的一些内在缺陷,获得比CoMFA方法更稳定的3D-QSAR模型。

（二）技术路线：

四、研究的总体安排与进度：

2010年9月到2010年10月：

查阅文献、资料。

2010年11月到2011年2月：

进行实验，填写开题报告、写论文综述和外文文献的翻译。