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新发现为新型抗HIV药物的开发奠定了基础

2019-05-08 20:55:18 专家推荐192℃

  新发现为新型抗HIV药物的开发奠定了基础

  2010年2月4日

  新型疗法可以提高现有艾滋病治疗的效力,有助于对抗耐药病毒株

  斯克里普斯研究所的一个科学家小组发现了两种化合物,这些化合物作用于人类免疫缺陷病毒(HIV)所使用的酶的新结合位点,这种病毒会导致艾滋病。该发现为开发一类新的抗HIV药物奠定了基础,以增强现有疗法,治疗该疾病的耐药菌株,并减缓病毒中耐药性的演变。

  这项研究将作为3月号“化学生物学”杂志的封面故事出现。药物设计。

  新研究中发现的抗HIV化合物与HIV蛋白酶结合,这是一种对病毒生命周期至关重要的酶。阻断该病毒酶的药物被称为“蛋白酶抑制剂”。并且目前是成功的艾滋病药物鸡尾酒的重要组成部分,被称为高效抗逆转录病毒疗法(HAART)。

  然而,与9种美国食品和药物管理局(FDA)批准的靶向HIV蛋白酶的药物相比,这两种新化合物是小化学单元或“片段”。与分子的两个新部分结合。

   这可能使未来的药物结合片段“新结构元素成为现有治疗的有用补充。

  该研究的高级作者斯克里普斯研究副教授C. David Stout表示,“这项研究的结果打开了针对艾滋病毒蛋白酶的全新药物设计方法的大门。”这些片段并非一个,但是二,活性位点外蛋白酶的不同裂缝。这是一个重要的概念验证,蛋白酶分子有两个非活性位点结合口袋(“变构位点”),现在可以作为一种强有力的新战略来利用HIV中的耐药性。“

  研究助理Alex L. Perryman是该论文的第一作者,也是Scripps Research的Arthur Olson教授实验室成员,他补充说:“实验证实了我的假设是从计算模型中发展出来的,HIV蛋白酶除了活性部位外还有表面上的口袋可以结合药物。针对这些部位开发的药物可用于使目前FDA批准的活性部位抑制剂更有效,并恢复其抗药性超级细菌的有效性。针对非活性部位的整体策略也可证明是有用的。其他疾病,特别是当存在引起耐药性的突变时。

  HIV蛋白酶的长臂

  根据世界卫生组织提供的最新统计数据,目前约有3300万人感染艾滋病毒,2008年有270万人新感染艾滋病毒。虽然HAART疗法延长了许多艾滋病患者的生存期并改善了生活质量,但新发艾滋病毒感染的快速增长部分涉及耐药菌株。

  Perryman一直对抗药性问题感兴趣。作为霍华德休斯医学研究所(HHMI)在加利福尼亚大学圣地亚哥分校HHMI教授J. Andrew McCammon实验室的博士前研究员,Perryman对抗药性HIV蛋白酶分子进行了广泛的计算机模拟,并将其与正常的HIV蛋白酶分子。这一理论研究为当前的实验研究奠定了基础。

  正如生物学中的情况一样,HIV蛋白酶的形状反映并决定其功能。在繁殖自身的过程中,病毒产生长蛋白质链,蛋白酶分裂成较短的片段,以便能够最终组装新的HIV病毒粒子。为了从较长链中分离出碎片,蛋白酶在分子的每一侧都有两个类似剪刀的襟翼。襟翼打开以进入病毒蛋白链,其自身进入活性位点结合口袋。然后襟翼关闭,在中间穿过结合口袋并将蛋白质链切割成更小的片段。

  目前的HIV-蛋白酶药物模拟HIV蛋白链的某些区域的形状(即“切割位点”)并与蛋白酶中空中心的活性位点结合。一旦该位点被药物阻断,蛋白酶就会被禁用,并且HIV不会产生新的感染性颗粒。因此,蛋白酶药物阻止HIV感染扩散到患者体内的其他细胞。

  Perryman想要找出病毒信息的耐药菌株的不同之处 - 这些信息从分子的静态图片中并不明显。因此,他对一种特别讨厌的多重耐药突变株HIV(V82F / I84V)的运动进行了计算机模拟。

  相关故事特朗普计划击败艾滋病毒袭击美国农村地区的崎岖道路研究:未来十年新的艾滋病毒感染率可降低多达67%大规模临床试验开始研究艾滋病病毒感染者之间的肝移植研究结果显示该药物的襟翼 - 抗性蛋白酶分子比标准对应物更倾向于开放,并且它们也更灵活。虽然抗HIV药物仍然适合活性部位结合口袋,但需要更多的能量来关闭襟翼而不是药物可以集合。因此,药物不会留在结合位点,并且口袋仍然可用于HIV蛋白链,其仍然能够关闭襟翼并继续产生新的感染性颗粒。

  在他们的模拟中,Perryman和他的同事确定了这个问题的潜在解决方案。像限制一把剪刀的手柄端以防止刀片开得太宽,一种新型药物可能能够绑定到蛋白酶侧面的交替部位,从而限制襟翼的末端并提供电流抗HIV药物足以帮助关闭皮瓣并使蛋白酶失效。这些化合物不是阻断蛋白酶的活性位点,而是“变构片段”,即改变分子动力学的小分子构建块,因此它更喜欢不同的构象(形状)。

  该计划在理论上听起来不错,但它能否在实践中发挥作用?

  把各个部分放在一起

  这就是斯克里普斯研究小组在新研究中开始学习的内容,该研究由美国国立卫生研究院向奥尔森实验室提供资助,旨在寻求对抗艾滋病毒耐药性的方法。

  为了实现这一目标,该团队采购了一个“图书馆”。由一家名为Active Sight的公司编制的384个复合碎片。 Perryman解释说,筛选片段而不是较大的化合物在过去几年中变得越来越流行,因为使用这些较小的片段比使用大型化合物库更有效地找到有前景的结构。另外,可以使用“基于结构的药物设计”来扩展,组合和修改片段。以一种使它们紧密贴合在正确的结合位点的方式,而不显示有时伴随较大分子的不需要的相互作用。使用更大,“类似铅”的库。化合物效率较低,而那些大化合物的延伸性较差。

  由于HIV蛋白酶分子处于不断运动状态,包括斯克里普斯研究教授John Elder实验室成员在内的科学家小组首先将这种分子以各种不同的构象结晶出来。然后科学家们筛选了一个针对这些晶体的碎片库来查看如果他们中的任何一个使用斯坦福同步辐射光源(SSRL)绑定和表征结果的结构特征.Stout指出,总的来说,该项目进行了超过800个晶体的大屏幕,产生了400多个数据集,这是一项壮举SSRL的机器人能力使之成为可能。

  在他们最初的实验中,科学家们获得了部分成功 - 足以建立概念验证 - 作为附着在“眼睛部位”上的一个片段。在皮瓣尖端和活动部位壁的顶部之间。但是,分子的大活性部位往往是有问题的,干扰了科学家们“寻找与分子上的交替位点结合的碎片的目标”。

  为了克服这个问题,团队“堵塞”了具有已知抑制剂的活性位点使得筛选仅识别与蛋白酶的其他区域结合的片段。 Perryman指出,这一创新方案可用于许多不同致病因子的类似工作,特别是那些已经产生耐药性的药物。

  使用新的结晶筛选方法,该团队发现了两个“命中” - 片段2-甲基环己醇和吲哚-6-羧酸。科学家们利用额外的X射线晶体学实验首先证实了这些片段确实与蛋白酶中的新位点结合,其次是这些片段改变了蛋白酶的结构偏好。

  “由于这些碎片非常小,我们不会指望它们本身就是有效的抑制剂,”佩里曼说。“但它是我们可以尝试使用这些小碎片来建立的过程的开始一个真正有效的抑制剂。该研究验证了我们的预测,并为开发新型抗艾滋病药物奠定了结构基础。“

  资料来源:斯克里普斯研究所

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