一种鸟氨酸脱羧酶的药物设计口袋及其应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于生物医学领域，涉及鸟氨酸脱羧酶（Ornithine decarboxylase ;0DC) 的药物设计口袋，并将该药物设计口袋应用于鸟氨酸脱羧酶的小分子抑制剂筛选或设计或 改造上。
【背景技术】
[0002]蛋白质是生物体的主要组成成分之一，是完成各种生命活动的主要物质。在各种 蛋白质中，蛋白酶对生命活动至关重要，几乎所有生物体内的生化反应过程都由蛋白酶进 行催化。生物体内各种蛋白酶的活性具有严格的调控机制，一旦其调控机制出现问题，造成 蛋白酶的活性过高、过低或者是完全失活，都会造成相应的各类疾病。因此，通过药物来调 控蛋白酶的活性，使其恢复和保持在正常水平，具有非常重要的理论意义和现实意义。以结 构为基础的药物设计，是设计以蛋白质为靶标的药物的一个非常重要的手段。
[0003] 多胺（polyamines)是一类从氨基酸代谢产生的带正电的阳离子小分子，在所 有生物体中都存在，对细胞生长、分化、存活及正常生物学功能等都不可缺少。多胺带多 正电荷的特性，使它们能通过与带负电荷的生物大分子〇NA、RNA、蛋白质、细胞膜等）形 成静电作用，从而调控非常广泛的生物学过程，包括染色体结构形成、DNA合成与稳定、 DNA复制、转录和翻译、蛋白质磷酸化、核糖体生成、离子通道和膜表面受体的调控、自由 基清除等。天然的多胺有很多种。在哺乳动物中，天然存在的有三种，即putrescine(腐 胺），spermidine(精脒），spermine.(精胺），它们对哺乳动物正常生长和发育必不可少。 由于多胺具有重要的生物学功能，其细胞内水平受到严格的调控。在快速繁殖的细胞（如 肿瘤细胞）中，多胺水平及0DC表达水平也会上升和失调。多胺水平升高，伴随着细胞增殖 加快、凋亡减少、以及肿瘤浸润和转移相关基因的表达水平升高等。因此，多胺的调控，成为 肿瘤治疗和药物研发中的一个重要手段。
[0004] 多胺代谢的起始底物是鸟氨酸（ornithine)，它是精氨酸在尿素循环（urea cycle)中被精氨酸酶（arginase)催化的反应产物。0DC是多胺合成途径的第一个酶，催化 从鸟氨酸（ornithine)到腐胺的反应，该步催化反应也是多胺合成途径的一个限速步骤。 因此，合成0DC抑制剂，抑制腐胺的生成，是目前很受关注的一个肿瘤治疗途径。同时，由于 病原微生物也需要正常的多胺水平，因此0DC抑制剂也成为针对病原微生物（如导致非洲 锥虫病的布氏锥虫）的重要靶标。
[0005] 当前，0DC的抑制剂DFM0( a-二氟甲基鸟氨酸）已经被用于临床，辅助癌症的化 疗。但其与0DC的结合能力较弱，作用浓度很高，且由于是与0DC形成共价键的自杀性抑制 齐U，毒副作用非常大。因此，非常有必要开发出具有更好效果的〇DC新型抑制剂。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是确定0DC蛋白酶的新型药物设计口袋，用于0DC的新型抑制剂筛 选和设计。
[0007] 本发明的技术方案是，通过分析0DC的晶体结构，利用蛋白质药物设计口袋分析 软件，找出并确定可以用于药物设计的结合口袋，并对该结合口袋进行小分子药物的筛选 和验证。
[0008] 按照以上方案，以人源0DC的晶体结构为基础，对其底物及PLP配体结合口袋进行 了分析。通过Pocket软件的辅助，确定了以0DC同源二聚体界面上的腐胺底物和磷酸吡哆 醛（PLP)配体的结合位点所在区域为药物设计口袋。
[0009] 所述的同源二聚体的结构示意图如图1所示，图中，一条链显示为表面，另一条面 显示为卡通。
[0010] 所述的0DC的底物（腐胺）和PLP的结合位点如图2所示，图中，一条链显示为表 面，另一条面显示为卡通，腐胺和PLP为棒状。
[0011] 该药物设计口袋的结构示意图如图3所示。口袋显示为半透明表面，周围棍状为 0DC同源二聚体上的氨基酸残基侧链，组成该口袋的残基有其中一个蛋白单体的Phe65,A1 a67,Lys69,Cys70,Asp88,Ala90,Alalll,Asnll2,Proll3,Thrl32,Argl54,Cysl64,Argl65, Leul66,Phel70,Phel96,Hisl97,Glyl99,Ser200,Gly201,Gly235,Gly236,Gly237,Phe238, Pro239,Glu274,Pro275,Gly276,Arg277,Tyr278,Asn327,Cys328,Tyr331,Asp332,His333, Ala388,Tyr389,以及另一个蛋白单体上的Tyr323,Thr359,Cys360,Asp361,Gly362,Leu363 ，Phe397,Asn398。口袋中的细棍状分别为PLP、腐氨及ODC的已知的抑制剂DFMO。
[0012] 本发明的应用对象是人源0DC，但由于不同来源的0DC之间具有同源性，因此可作 用于本发明的药物口袋的抑制剂同样能够作用于其它非人源的0DC，以及与0DC的底物（腐 胺）及PLP结合口袋高度同源的蛋白质。
【附图说明】
[0013] 图1为0DC同源二聚体的结构示意图。
[0014] 图2为0DC的底物（腐胺）和PLP的结合位点的结构示意图。
[0015] 图3为本发明的药物设计口袋的结构示意图。
[0016] 图4a-二氟甲基鸟氨酸（DFM0)抑制剂对人源0DC的抑制活性柱状图。
[0017]图5为4- (2-3-二氢-1H-嘧啶-2-基）苄腈抑制剂对人源0DC的抑制活性柱状 图。
[0018]图6为4-(2-3-二氢-1H-嘧啶-2-基）苄腈抑制剂与0DC的结合模型。
[0019] 图7为乙基-3-(苯甲酰氨基）苯甲酸甲酯抑制剂对人源0DC的抑制活性柱状图。
[0020] 图8为乙基_3_(苯甲酰氨基）苯甲酸甲酯抑制剂与0DC的结合模型。
[0021] 图9为4-(二甲基氨基）-苯甲醛-(4, 6-二氨基-1，3, 5-)三嗪抑制剂对人源0DC 的抑制活性柱状图。
[0022] 图10为4-(二甲基氨基）-苯甲醛-(4,6-二氨基-1，3,5_)三嗪抑制剂与00(：的 结合模型。
[0023] 图11为2_[(羟基亚氨基）甲基]-1-[2-(4_甲氧基苯基）_2_氧代乙基]吡啶鎗 抑制剂对人源0DC的抑制活性柱状图。
[0024] 图12为2_[(羟基亚氨基）甲基]-1-[2-(4_甲氧基苯基）_2_氧代乙基]吡啶鎗 抑制剂与0DC的结合模型。
【具体实施方式】
[0025]实施例1
[0026] 本专利利用Pocket蛋白质药物口袋分析软件，以人源0DC的晶体结构为基础，对 其底物及PLP配体结合口袋进行了分析，并产生一个该蛋白质口袋的理论模型。然后，利 用蛋白质对接程序DOCK，将SPECS小分子药物库中的19万个小分子，对接到上述蛋白质 口袋模型中，并筛选出至少含15个非氢重原子、至少形成2个氢键、至少1个疏水中心、对 接打分不超过-10的小分子。再次，对上述小分子进一步利用蛋白质-小分子对接程序 Autodock，依次对接到上述蛋白质口袋中，进一步的对接计算，最后挑选出对接打分低于-7 的小分子。
[0027] 在实验验证中，所涉及的抑制剂为4_ (2_3_二氢-1H-啼陡_2_基）节臆。
[0028] 本发明中不排除以4-(2_3_二氢-1H-嘧啶-2-基）苄腈为母体，进行侧链添加、 删减、片段补充等，获得具有类似抑制作用的0DC抑制剂。
[0029] 下面，以4-(2-3-二氢-1H-嘧啶-2-基）苄腈为例介绍该抑制的实验过程。
[0030] 4- (2-3-二氢-1H-嘧啶-2-基）苄腈结构：
【主权项】
1. 一种鸟氨酸脱羧酶的药物设计口袋，其特征在于：以人源鸟氨酸脱羧酶（ODC)的晶 体结构为基础，鸟氨酸脱羧酶（ODC)同源二聚体界面上的腐胺和磷酸吡哆醛（PLP)配体的 结合位点所在区域为药物口袋。
2. 根据一种鸟氨酸脱羧酶的药物设计口袋在筛选或设计或改造人源鸟氨酸脱羧酶的 抑制剂上的应用。
3. 根据一种鸟氨酸脱羧酶的药物设计口袋在筛选或设计或改造非人源的鸟氨酸脱羧 酶的抑制剂上的应用。
4. 根据一种鸟氨酸脱羧酶的药物设计口袋在筛选或设计或改造与鸟氨酸脱羧酶同源 二聚体界面上的腐胺和磷酸吡哆醛结合为点高度同源的蛋白质的抑制剂上的应用。
5. 根据权利要求2或3或4所述的鸟氨酸脱羧酶的药物设计口袋在筛选或设计或改造 抑制剂上的应用，其特征在于：所述的抑制剂为4-(2-3-二氢-IH-嘧啶-2-基）苄腈或其 类似物。
6. 根据权利要求2或3或4所述的鸟氨酸脱羧酶的药物设计口袋在筛选或设计或改造 抑制剂上的应用，其特征在于：所述的抑制剂为乙基-3-(苯甲酰氨基）苯甲酸甲酯或其类 似物。
7. 根据权利要求2或3或4所述的鸟氨酸脱羧酶的药物设计口袋在筛选或设计或改 造抑制剂上的应用，其特征在于：所述的抑制剂为4-(二甲基氨基）-苯甲醛-(4, 6-二氨 基-1，3, 5_)三嗪或其类似物。
8. 根据权利要求2或3或4所述的鸟氨酸脱羧酶的药物设计口袋在筛选或设计或改造 抑制剂上的应用，其特征在于：所述的抑制剂为2-[(羟基亚氨基）甲基]-1-[2- (4-甲氧基 苯基）-2-氧代乙基]吡啶鎗或其类似物。
【专利摘要】本发明涉及一种鸟氨酸脱羧酶的药物设计口袋，以人源鸟氨酸脱羧酶（ODC）的晶体结构为基础，鸟氨酸脱羧酶（ODC）同源二聚体界面上的腐胺和磷酸吡哆醛（PLP）配体的结合位点所在区域为药物口袋。将其应用于筛选或设计或改造人源鸟氨酸脱羧酶的抑制剂上或筛选或设计或改造非人源的鸟氨酸脱羧酶的抑制剂上或筛选或设计或改造与鸟氨酸脱羧酶同源二聚体界面上的腐胺和磷酸吡哆醛结合为点高度同源的蛋白质的抑制剂上。为研发抑制人源ODC，预防、治疗和诊断肿瘤疾病、病原微生物感染，研发制备肿瘤药物或病原微生物感染类药物提供了可靠的理论依据。
【IPC分类】C12Q1-527
【公开号】CN104745675
【申请号】CN201410525191
【发明人】刘森, 占景琼, 王艳林
【申请人】三峡大学
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2014年9月30日