结构新颖的cyclin D1-CDK4抑制剂的QSAR研究【开题报告】

毕业论文开题报告生物技术结构新颖的cyclin D1-CDK4抑制剂的QSAR研究一、选题的背景与意义背景：近年随着分子生物学技术的突飞猛进，肿瘤发病机制的阐述、抗肿瘤靶点的寻找、新型抗肿瘤药物的开发以及治疗手段的创新和综合运用都有了长足的进步。

自2001年诺贝尔生理学和医学奖获得者发现细胞周期的关键调节因子——细胞周期依赖性蛋白激酶CDKs和周期蛋白以来, 终于解释了肿瘤发病机制。

目前认为，肿瘤是一类渐进性细胞周期调控机制破坏的疾病，在肿瘤细胞中细胞周期依赖抑制剂CDI基因常常出现突变或缺失，使CDI对CDKs的负性调控作用降低或者完全丧失，这一现象引起了研究人员的广泛关注。

细胞周期及其相关分子的调控研究成为肿瘤研究的热点，而研发细胞周期依赖激酶CDKs的抑制剂更是成为抗肿瘤药物的热点问题。

当前已经发现并命名的CDK激酶有CDK1、CDK2、CDK3、CDK4、CDK5、CDK6、CDK7、CDK8、CDK9、CDK10、CDK11、CDK12、CDK13。

CDK4通过与周期蛋白Dl结合使底物磷酸化，控制G1时期的进行。

由于正常细胞通常在G0~G1时期之间休眠，要缓解肿瘤细胞对正常细胞的威胁，在G1阶段抑制肿瘤细胞生长要比在细胞周期的其它阶段的程度大，因此CDK4成为基于CDKs抗癌药物设计中最吸引人的一个靶标，研究其抑制剂也就具有相当重要的意义。

而且直到09年，CDK4的单体结构才被破解，通过对其三维结构的解析，对应用计算机辅助设计而获得CDK4的小分子抑制剂的研究具有重要的指导和参考价值。

定量构效关系（QSAR）分析是指利用理论计算和统计分析工具来研究系列化合物结构（包括二维分子结构、三维分子结构和电子结构）与其生物效应（如药物的活性、毒性、药效学性质、药物代谢动力学参数和生物利用度等）之间的定量关系，是药物研究中的一个重要理论计算方法和常用手段。

CoMFA自1988年提出以来，己经是最重要的3D-QSAR研究方法之一，它是通过研究药物与受体非共价相互作用时的静电场和立体场来探寻药物分子性质。

结构新颖的cyclinD1-CDK4抑制剂的QSAR研究就是指把抗肿瘤药物的研究即一种新型的cyclinD1-CDK4的有效抑制剂与计算机技术融合，在药物分子设计、分子结构优化等方面，应用计算机分子模拟技术和理论化学计算方法研究药物的作用机理，进而采用计算机辅助药物设计方法设计新的高效、低毒药物分子，极大地提高了科研速度与成功率。

意义：抗肿瘤药物的不仅能够治疗肿瘤挽救生命，同时能够满足当前市场的迫切需求带来可观的经济效益。

作为一类新型的抗肿瘤药物，CDKs抑制剂因其对细胞周期蛋白的失控和肿瘤的发生具有密切关联，使得CDKs抑制剂的研究备受人们关注。

其中，CDK4作为调控细胞周期中的G1/S期的激酶，在肿瘤的发生中发挥着极其关键的重要作用。

更振奋人心的是，在09年CDK4的单晶结构首次成功分离得到，CDK4的三维结构也终于被解析，这一重要的变化对于人们终于可以摆脱以往只能通过利用CDK2与抑制剂的结合模式来判断CDK4与抑制剂结合模式带来的问题，为更加清晰的研究该酶的作用机理及合理设计其抑制剂具有深刻的意义。

近年来高新技术的迅猛发展与应用，给医药研究与生产领域带来了一系列近乎革命的变化，传统的研究思想与技术已远远难以满足企业的需求，高新技术已成为日常科研、生产的常规手段。

结构新颖的cyclinD1-CDK4抑制剂的QSAR研究正是在CDK4抑制剂有效化学成分的发现过程中，应用计算机辅助筛选新技术、已知结构模拟技术、立体结构对接技术、分子量能量计算，分子相互作用力预测等手段，寻找能与特定药物作用靶点有效结合的分子结构作为研究对象，使科研工作的针对性大大提高，抗肿瘤新药物的研究提供了极大的便利。

二、研究的基本内容与拟解决的主要问题：基本内容：应用计算机辅助分析技术，通过运用理论计算和统计分析工具QSAR来研究一种结构新颖的噻吩并[2,3-d]嘧啶-4-腙类CDK4抑制剂在结构与其生物活性之间的定量关系。

首先，构建该类抑制剂中活性最高的化合物结构，以09年解析得到的CDK4的单体晶体结构为靶点，通过分子对接得到合理的抑制剂的药效构象，然后其它抑制剂化合物在这个合理构象的基础上进行构建，对新构建的化合物做部分优化以得到合理的构象，最后，采用基于比较分子力场分析法（CoMFA）得到该类新颖的CDK4抑制剂的3D-QSAR模型，以及利用Tsar软件计算所构建的抑制剂的结构参数，以Tsar自带的统计分析法构建2D-QSAR模型。

研究的最后结果是给出这类抑制剂的结构改造和修饰的指导意见，以及CDK4的ATP结合口袋的基本特性。

拟解决的主要问题：1）确定活性最高的噻吩并[2,3-d]嘧啶-4-腙类抑制剂与CDK4的结合构象得到合理的抑制剂的药效构象是做好定量构效关系（QSAR）的基础。

结构决定性质，不管基础CoMFA参数的3D-QSAR研究还是基于Tsar计算参数的2D-QSAR研究，都需要合理的化合物构象。

通过分子对接的方法，以结合能作为评价标准，得到合理的结合构象。

2）CDK4 ATP结构口袋的特性和抑制剂的结构修改指导通过QSAR研究，建立噻吩并[2,3-d]嘧啶-4-腙类抑制剂的较理想的QSAR模型，指导这类抑制剂以及其它抑制剂的结构改造。

通过CoMFA的分子场图给出CDK4 ATP结合口袋的性质。

三、研究的方法与技术路线：主要研究方法：（1）分子对接分子对接是研究分子间（如配体如受体）相互作用，并预测其结合模式和亲和力的一种理论模拟方法。

（2）CoMFA分子场分析抑制剂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）方法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，建立3D-QSAR模型（3）TsarTsar（Tools for Structure Activity Relationships）是2000年由Oxford Molecular 公司开发的用于研究定量结构-活性关系的软件。

Tsar根据小分子的三维结构计算结构参数并得到回归模型。

技术路线如下所示：四、研究的总体安排与进度：2010年12初查阅文献，完成文献综述，制定任务书，进行开题报告2010.12-2011.02 学习分子对接软件和化合物结构构建2011.03-2011.04 学习CoMFA软件，Tsar软件，完成2篇外文翻译2011.04-2011.05 完成毕业论文五、主要参考文献：[1] 绉向阳, 李连宏, 细胞周期调控与肿瘤[J]. 国际遗传学杂志, 2006, 29(1): 70-73.[2] 杨建刚, 熊全臣, 孙乃学等. 细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂在眼科的研究进展[J]. 世界核心医学期刊文摘·眼科学, 2005, 1(8): 1-2.[3] 任晓岚, 尤启东, 李志裕. 细胞周期蛋白依赖激酶小分子抑制剂的研究进展[J]. 中国药师, 2006, 9(1): 1052-1054.[4] 高燕, 林莉萍, 丁健. 细胞周期调控的研究进展[J]. 生命科学, 2005, 17(4): 318-332.[5] 杨书梅, 赵文娜, 吴天星. 细胞周期蛋白依赖性激酶CDK4抑制剂的3D—QSAR研究[J]. 浙江大学学报, 2008, 35(2): 191-197.[6] Sian A., Janice O., Wayne J., et al. Structural Determinants of CDK4 Inhibition and Design of Selective ATP Competitive Inhibitors[J]. Chem. Biol., 2004, 11(4): 525-534.[7] Philip T., Anne C., Ian J., et al. Crystal structure of human CDK4 in complex with a D-type cyclin[J]. PNAS, 2009, 106(11): 4166-4170.[8] Takaki T., Echalier C., Brown J., et al. The structure of CDK4/cyclin D3 has implications for models of CDK activation[J].PNAS, 2009, 106(11): 4171-4176.[9] 陈丽红, 李一伟, 高凌云. 肿瘤抑制基因p16研究进展[J]. 福建医科大学学报, 2003, 37(1): 39-41.[10] Lukas J., Parry D., Strauss M., et al. Retinoblastoma protein dependent cell-cycle inhibition by the tumour suppressor p16[J]. Nature, 1995, 375(6531): 503-506.[11] 郭欣, 王玉成. 细胞周期蛋白依赖性激酶研究进展[J]. 中国抗生素疗杂志, 2009, 34(1): 82-85.[12] 李峰, 陈临溪, 细胞周期蛋白D与细胞周期调控研究进展[J]. 国外医学·生理、病理科学与临床分册, 2005, 25(3): 270-273.[13] 马骥, 刘文超. 细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂与肿瘤相关性的研究进展[J]. 中国肿瘤生物治疗杂志, 2009, 16(3): 315-318.[14] 何云松, 严小军, 梁洪泽. 海洋活性物质Fascaplysin及衍生物的化学合成与构效关系研究进展[J]. 天然产物研究与开发, 2008, 20(6): 1108-1113.[15] Rajeev S., Lionel M., Pascal F., et al. Inhibition of Cyclin-Dependent Kinase 4 (Cdk4) by Fascaplysin, a Marine Natural Product[J]. Bio. Bio. Res. Com., 2000, 275(3): 877-884.[16] Oleg S., Vyacheslav L., George B.. A Simple and Practical Approach to the Synthesis of the Marine Sponge Pigment Fascaplysin and Related Compounds[J]. Tet. Let., 1997, 38(30): 5339-5342.[17] 郭婷婷, 陆涛. 临床试验阶段的CDK抑制剂的研究进展[J]. 中南药学, 2008, 6(5): 586-589.[18] Christina R., Donald M., Wilhelmina D., et al. Flavopiridol Sensitivity of Cancer Cells Isolated from Ascites and Pleural Fluids[J]. Clin. Cancer. Res., 2005, 11(9): 3523-3529.[19] Mariko M., Satoru S., Koh-ichi N., et al. Flavopiridol, a cyclin dependent kinase (CDK) inhibitor, induces apoptosis by regulating Bcl-x in oral cancer cells[J]. Ora. Onc., 2003, 39(1): 49-55.[20] 李文赟, 张磊, 李福龙等. 抗肿瘤细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂的研究进展[J]. 国外医药抗生素分册, 2009, 30(3): 113-121.[21] Marvin R., Gary B., Kristina K., et al. 4-( Phenylaminomethylene) isoquinoline-1, 3(2H, 4H)-diones as Potent and Selective Inhibitors of the Cyclin-Dependent Kinase 4 (CDK4) [J]. J. Med. Chem., 2008, 51(12): 3507-3525.[22] Lei B., Xi L., Liu H., et al. Global, local and novel consensus quantitative structure-activity relationship studies of 4-(Phenylaminomethylene) isoquinoline-1, 3 (2H, 4H)-diones as potent inhibitors of the cyclin-dependent kinase 4 [J]. Anal. Chim. Acta., 2009, 644(1): 3507-3510.[23] Horiuchi T., Chiba J., Uoto K., et al. Discovery of novelthieno[ 2, 3-d ] pyrimidin-4-yl hydrazone-based inhibitors of Cyclin D1-CDK4: Synthesis, biological evaluation, and structure–activity relationships[J]. Bioorg. Med. Chem. Lett., 2009, 19(2): 305-308.[24] Horiuchi T., Chiba J., Uoto K., et al. Discovery of novelthieno[ 2, 3-d ] pyrimidin-4-yl hydrazone-based inhibitors ofCyclin D1-CDK4: Synthesis, biological evaluation, and structure–activity relationships.Part2 [J]. Bioorg. Med. Chem. Lett., 2009, 17(23): 7850-7860.[25] Charles J., James M.. Inhibitors of mammalian G1 cyclin-dependent kinases[J]. Gen. Dev., 1995, 9(10): 1149-1163.。