第五章基于核酸原理的藥物設計.ppt

1、第五章 基于核酸原理 的藥物設計,藥物設計學,【學習要求】,1. 掌握基于核酸生物代謝合成原理的藥物設計主要策略。 2. 熟悉核苷類藥物的結(jié)構(gòu)特點及反義核酸 與siRNA的主要作用機制。 3. 了解核酸的生物合成過程。,核酸是生物體內(nèi)遺傳信息儲存與傳遞的一個重要載體，在生物功能的調(diào)控上也發(fā)揮著極其重要的作用，隨著人們對核酸的結(jié)構(gòu)與功能認識的不斷深入，核酸正在發(fā)展成為一個藥物設計的重要靶點。,基于核酸代謝機制；基于核酸序列結(jié)構(gòu)；基于DNA雙鏈結(jié)構(gòu)；基于RNA三維結(jié)構(gòu)。,腺嘌呤 鳥嘌呤 胞嘧啶 胸腺嘧啶 尿嘧啶,次黃嘌呤,第一節(jié) 核酸的生物合成,1. 從頭合成途徑（de novo synthesi

2、s） 即利用磷酸核糖、氨基酸及二氧化碳等簡單物質(zhì)，在一系列酶的作用下合成嘌呤核苷酸。 2. 補救合成途徑（salvage synthesis） 即利用體內(nèi)游離的嘌呤或嘌呤核苷，在酶的作用下合成嘌呤核苷酸。 這兩種合成途徑在不同組織中的重要性各不相同，例如在肝組織中只進行從頭合成，而在腦、脊髓等組織中則只能進行補救合成。,一、嘌呤核苷酸的合成,從頭合成 除某些細菌外，幾乎所有生物體都能經(jīng)從頭合成途徑合成嘌呤核苷酸。,在嘌呤核苷的生物合成中，生物體不是先合成嘌呤，再與磷酸核糖結(jié)合生成核苷酸，而是從-D-5-磷酸核糖-1-焦磷酸（PRPP）開始，經(jīng)過一系列的酶促反應，生成次黃嘌呤核苷酸，然后再轉(zhuǎn)變成

3、其他嘌呤核苷酸。,補救合成,二、嘧啶核苷酸的合成,UMP,從頭合成,在生物合成中，尿嘧啶、尿嘧啶核苷和尿嘧啶核苷酸都不能直接通過氨基化而轉(zhuǎn)變成相應的胞嘧啶化合物，UMP只有轉(zhuǎn)變?yōu)閁TP后，才能氨基化生成CTP。,dTMP是DNA的組成部分，它是由dUMP經(jīng)甲基化而生成的。,dNDP的生物轉(zhuǎn)化途徑,脫氧核糖核苷酸是脫氧核糖核酸合成的前體，脫氧核糖核苷酸中的脫氧核糖并非是先生成后再組合到脫氧核苷酸分子中的，而是通過核糖核苷酸的還原作用，以氫取代核糖分子中的C-2位的羥基而生成的。 還原反應是在核苷二磷酸NDP水平上進行的。,補救合成,磷酸化酶催化各種嘧啶與核糖1-磷酸或2-脫氧核糖1-磷酸生成嘧啶

4、核苷，然后嘧啶核苷經(jīng)細胞激酶的作用生成嘧啶核苷酸。,第二節(jié) 代謝拮抗類抗腫瘤、抗病毒藥物的設計,一、葉酸類抗代謝物,葉酸是核酸生物合成的代謝物，也是紅細胞發(fā)育生長的重要因子。葉酸缺乏時，白細胞減少，因此葉酸拮抗劑可以用于緩解急性白血病。 存在于自然界中的葉酸有二氫葉酸和四氫葉酸兩種形式，但在人體中只有四氫葉酸具有生理功能，二氫葉酸還原酶（dihydrofolate reductase，DHFR）催化二氫葉酸還原為四氫葉酸。在核酸的生物合成中，四氫葉酸是一碳單元的供給體。,氨基蝶呤（AMT）和甲氨蝶呤（MTX）是最早用于腫瘤臨床治療的二氫葉酸還原酶抑制劑，它們的化學結(jié)構(gòu)與葉酸相似，通過競爭性抑制

5、DHFR的活性，阻斷二氫葉酸還原成為四氫葉酸，從而使細胞內(nèi)的N5，N10-亞甲基四氫葉酸減少直至耗竭，導致一碳單位的供給源中斷，減少了DNA、RNA和蛋白質(zhì)的生物合成，細胞最終死亡。但長時間使用會在體內(nèi)蓄積，因此毒副作用大，并且易產(chǎn)生耐藥性。,（一）二氫葉酸還原酶抑制劑,5-33,（一）二氫葉酸還原酶抑制劑,為提高對腫瘤作用的選擇性以及克服MTX易產(chǎn)生耐藥性的缺點，人們對MTX和AMT的結(jié)構(gòu)進行各種形式的改造。,葉酸,依達曲沙,普拉曲沙,（二）胸苷酸合成酶抑制劑,由于胸苷酸合成酶是從脫氧尿苷酸合成胸苷酸時的關鍵酶，所以發(fā)展胸苷酸合成酶特異性抑制劑是近年來抗腫瘤藥物研究的一個重要方向。 第一個應

6、用于臨床的胸苷酸合成酶抑制劑是炔丙基去氮葉酸（DDPF，5-40），該化合物對胸苷酸合成酶和二氫葉酸還原酶都有抑制作用。 5-41是水溶性的胸苷酸合成酶抑制劑，因它不影響RNA合成等細胞內(nèi)的其他生命活動，故不良反應較小。,（二）胸苷酸合成酶抑制劑,（三）甘氨酰胺核苷酸甲酰基轉(zhuǎn)移酶抑制劑,洛美曲沙是第一個用于臨床的甘氨酰胺核苷酸甲?；D(zhuǎn)移酶抑制劑，為四氫葉酸的同類物，其不同之處僅將5-、10-位的兩個氮原子以碳代替。 洛美曲沙對二氫葉酸還原酶的抑制作用不明顯，而主要抑制甘氨酰胺核苷酸甲酰基轉(zhuǎn)移酶，從而抑制嘌呤的合成。,（三）甘氨酰胺核苷酸甲?；D(zhuǎn)移酶抑制劑,Agouron公司開發(fā)的AG2034（

7、5-43）屬于第二代甘氨酰胺核苷酸甲?；D(zhuǎn)移酶抑制劑，它是基于E. coli來源的甘氨酰胺核苷酸甲?；D(zhuǎn)移酶的X射線晶體衍射結(jié)構(gòu)設計的。 甘氨酰胺核苷酸甲?；D(zhuǎn)移酶活性位點的計算分析表明，硫原子的引入能增加額外的親和作用。 屬于這一類型的抑制劑還有Lilly公司開發(fā)的LY309887（5-44）。目前這些抑制劑都在臨床試驗中。,（三）甘氨酰胺核苷酸甲?；D(zhuǎn)移酶抑制劑,洛美曲沙,二、嘌呤類抗代謝物,主要作用機制 1. 直接或者經(jīng)過生物轉(zhuǎn)化后模擬天然底物的結(jié)構(gòu)與酶競爭性結(jié)合，從而抑制DNA和RNA的合成。 2. 作為偽底物摻入DNA或RNA鏈，干擾DNA或RNA的功能。,6-巰基嘌呤,6-巰基鳥嘌

8、呤,6-氯法拉濱,奈拉濱,6-甲巰基鳥嘌呤,6-巰基嘌呤是次黃嘌呤的衍生物，進入體內(nèi)后，在次黃嘌呤-鳥嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶的催化作用下，與PRPP反應生成6-巰基嘌呤核苷酸而發(fā)揮作用。 巰基嘌呤的衍生物6-甲巰基嘌呤在體外細胞培養(yǎng)時無活性，但在體內(nèi)具有抗癌活性，這有可能是6-甲巰嘌呤在體內(nèi)代謝脫甲基后轉(zhuǎn)變成6-巰基嘌呤的結(jié)果。,6-巰基鳥嘌呤的作用類似于6-巰基嘌呤，也是次黃嘌呤-鳥嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶的底物，代謝生成6-巰基鳥嘌呤核苷酸，進一步磷酸化生成6-巰基鳥嘌呤二磷酸或6-巰基鳥嘌呤三磷酸，后者是多聚酶的底物，可以摻入RNA鏈中。 6-巰基鳥嘌呤也可成為2-脫氧-6-巰基鳥嘌呤核苷酸或其對

9、應的二磷酸、三磷酸衍生物，而經(jīng)DNA聚合酶的作用摻入DNA鏈中。,6-巰基鳥嘌呤的作用類似于6-巰基嘌呤,氯法拉濱經(jīng)脫氧胞苷激酶磷酸化為單磷酸衍生物后，接著被其他激酶連續(xù)轉(zhuǎn)變成活性形式的三磷酸衍生物。 氯法拉濱三磷酸通過競爭抑制DNA聚合酶，通過摻入DNA鏈中而終止DNA鏈的延長及修復，并能有效抑制核苷酸還原酶，使細胞內(nèi)脫氧核苷三磷酸的數(shù)目減少，最終導致DNA合成受到抑制。,奈拉濱是阿糖鳥苷（Ara-G）的前藥。盡管Ara-G的活性從20世紀60年代就為人們所知，但由于其溶解度問題而沒有用于臨床研究。 奈拉濱的水溶解能力約為Ara-G的10倍，它在體內(nèi)被腺苷脫氨酶去甲基化后生成Ara-G，繼而

10、被激酶磷酸化形成Ara-GTP并連結(jié)到DNA鏈上。,三、嘧啶類抗代謝物,吉西他濱 卡培他濱,5-氟尿嘧啶脫氧核苷,5-氟尿嘧啶,雙呋氟尿嘧啶,5-氟尿嘧啶是根據(jù)電子等排原子概念設計的尿嘧啶衍生物。由于氟原子的原子半徑與氫原子比較接近，氟代物的體積與原化合物幾乎相等，同時CF鍵比較穩(wěn)定，在代謝過程中不易分解，因此氟原子不干擾含氟藥物與相應細胞受體間的相互作用，能在分子水平代替正常代謝物。 5-氟尿嘧啶脫氧核苷和5-氟尿嘧啶一樣，在體內(nèi)均被轉(zhuǎn)化為5-氟尿嘧啶脫氧核苷酸，5-氟尿嘧啶脫氧核苷酸是這些藥物細胞毒作用的活性形式。,5-氟尿嘧啶脫氧核苷,5-氟尿嘧啶,雙呋氟尿嘧啶,5-氟尿嘧啶是臨床上廣泛

11、應用于治療實體瘤的抗腫瘤藥物，但是5-氟尿嘧啶缺乏選擇性，給骨髓、胃腸道、中驅(qū)神經(jīng)系統(tǒng)等方面帶來毒性。 替加氟（tegafur）和雙呋氟尿嘧啶在體內(nèi)較穩(wěn)定，在體內(nèi)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?-氟尿嘧啶，是5-氟尿嘧啶的前藥，毒性比5-氟尿嘧啶小56倍，化療指數(shù)高。,5-氟尿嘧啶脫氧核苷,5-氟尿嘧啶,替加氟,雙呋氟尿嘧啶,地西他濱在體內(nèi)磷酸化后，摻入RNA和DNA鏈中，形成非功能性的氮雜RNA和DNA。 卡培他濱是一種具有腫瘤靶向效應的口服5-氟嘧啶核苷類似物，首先在肝臟由羧基酯化酶轉(zhuǎn)化成5-脫氧-5-氟-胞苷，接著由胞苷脫氨酶轉(zhuǎn)化成5-脫氧-5-氟-尿嘧啶，最后由胸苷磷酸酶轉(zhuǎn)化成5-氟尿嘧啶，而后兩種酶主要

12、存在于腫瘤組織中。,吉西他濱 卡培他濱,地西他濱,阿糖胞苷,環(huán)胞苷,第三節(jié) 核苷類抗病毒藥物的設計,通過對3-羥基進行非羥基化取代、脫氧修飾或L-構(gòu)型修飾后，再被細胞激酶逐步磷酸化而生成三磷酸衍生物。 這些三磷酸衍生物是DNA聚合酶底物dNTP的競爭性抑制劑，它們通過與DNA聚合酶結(jié)合并連接到DNA鏈上，由于其3-羥基的缺失，不能再繼續(xù)進行53鏈的延長，因而使病毒DNA的復制被終止，主要用于治療HIV和HBV。,一、基于核苷糖環(huán)修飾的藥物,齊多夫定 扎西他濱 司他夫定,拉米夫定 恩曲他濱 克拉夫定,齊多夫定是第一個獲準用于治療HIV-1感染患者的藥物。它是脫氧胸苷的類似物，在體內(nèi)經(jīng)磷酸激酶的逐

13、步磷酸化轉(zhuǎn)變成為活性形式的三磷酸衍生物。 三磷酸衍生物是HIV-1逆轉(zhuǎn)錄酶的競爭性抑制劑，阻礙前病毒DNA的合成。,阿糖腺苷（廣譜） 地丹諾辛 阿巴卡韋 恩替卡韋,與基于糖環(huán)修飾的核苷類抗病毒藥物相比，基于堿基修飾的抗病毒藥物數(shù)目較少。堿基的修飾主要集中在嘧啶的C-5或C-6位取代、嘌呤雜環(huán)的氮雜或去氮修飾等，主要用于治療皰疹病毒（HSV和VZV）。,二、基于核苷堿基修飾的藥物,碘苷 碘代脫氧胞苷 BVDU,利巴韋林（廣譜） 3-去氮腺苷（廣譜）,無環(huán)核苷可看成是核苷的呋喃糖環(huán)被打開的一類核苷類似物。目前臨床上治療皰疹病毒（HSV、VZV、CMV）感染的藥物大多屬于無環(huán)核苷類化合物。 泛昔洛韋

14、的作用過程包括首先在腸壁經(jīng)酯化酶作用水解脫去一個4-乙酰基，接著在肝臟脫去另一個乙酰基形成6-脫氧噴昔洛韋，6-脫氧噴昔洛韋再經(jīng)肝臟醛氧化酶的氧化形成噴昔洛韋。,纈昔洛韋（前藥） 纈更昔洛韋（前藥） 泛昔洛韋（前藥）,三、無環(huán)核苷,阿昔洛韋 更昔洛韋 噴昔洛韋,纈昔洛韋（前藥） 纈更昔洛韋（前藥） 泛昔洛韋（前藥）,在無環(huán)核苷類似物被細胞吸收后，它們要經(jīng)過3個連續(xù)的磷酸化過程轉(zhuǎn)變?yōu)槿姿嵝问?，然后再與靶酶即病毒DNA聚合酶作用。 在磷酸化過程中，最關鍵的是第一步磷酸化過程，它是由HSV或VZV中特異病毒編碼的胸苷激酶（TK）或CMV中特異病毒編碼的UL97蛋白激酶（PK）來實現(xiàn)的。,無環(huán)核苷磷

15、酸酯是在其醚鏈部分通過P-C鍵連有1個磷酸基，與P-O鍵相連的磷酸基相比，P-C鍵不能被細胞內(nèi)的酯酶水解。這類化合物由于不需要皰疹病毒的胸苷激酶進行一磷酸化，所以具有廣譜抗病毒活性。,西多福偉 阿德福韋 泰諾福韋,阿德福韋酯 （前藥） 泰諾福韋酯（前藥）,第四節(jié) 反義核酸與小干擾RNA藥物的設計,反義寡核苷酸藥物以及小干擾RNA（small interfering RNA，siRNA）藥物是在核酸水平上阻斷蛋白質(zhì)的合成，在疾病發(fā)生的源頭高度特異性地使疾病相關基因沉默。,反義核酸與靶序列結(jié)合后，通過兩種途徑即阻塞或酶水解來終止靶序列的功能。 阻塞機制只是通過反義核酸與靶序列結(jié)合改變空間結(jié)構(gòu)，使參

16、與復制、轉(zhuǎn)錄或翻譯的各種酶無法與該序列結(jié)合，從而使功能終止。,酶水解機制是指反義核酸與靶序列結(jié)合后激活某些酶而將靶序列降解。反義核酸激活酶的能力直接影響反義抑制效果。參與水解靶序列的酶最常見到的是RNaseH。,反義核酸結(jié)構(gòu)的化學修飾方式,磷酸二酯鍵組成的天然的寡核苷酸易受體內(nèi)各種酶的降解，同時也存在難于透過細胞膜的問題，因此對天然的寡核苷酸進行化學修飾是提高寡核苷酸藥物的生物利用度所必需的。,反義核酸藥物,硫代磷酸二酯類 MOE類 構(gòu)象鎖定型 酰胺骨架型,反義核酸藥物面臨的問題 透膜能力、酶穩(wěn)定性和特異性一直是阻礙反義核酸藥物發(fā)展的瓶頸。 通過適當?shù)幕瘜W修飾可以部分解決這些方面的問題，但隨之

17、而來的是在大多數(shù)情況下將使產(chǎn)品的合成成本大大增加，勢必會影響將藥品推向市場。 與此同時，其生物學效應研究也有待深入。,siRNA藥物,siRNA必須與多種蛋白結(jié)合形成一種RNA誘導沉默復合體（RNA induced silencing complex，RISC），該復合體由核酸內(nèi)切酶、核酸外切酶、解旋酶和同源RNA搜索活性蛋白等組成。,RNAi的作用經(jīng)過如下過程：外源進入的長雙鏈RNA被Dicer酶識別，以一種ATP依賴的方式逐步切割成長2123個核苷酸的由正反義鏈組成的雙鏈RNA（siRNA），接著由ATP激活的RISC與雙鏈siRNA結(jié)合，并使之解旋和解鏈，然后在siRNA反義鏈指導下，與siRNA具有同源序列的靶mRNA結(jié)合，并在距離5-端1011個核苷酸處將它切斷，導致轉(zhuǎn)錄后基因沉默。,siRNA為2123個核苷酸長的雙鏈RNA，而且每條鏈的3-端都帶有兩個未配對的核苷酸。在設計siRNA序列時通常要考慮siRNA的序列結(jié)構(gòu)特征、靶RNA的空間結(jié)構(gòu)、siRNA與RISC的相互作用以及siRNA與mRNA的堿基錯配等。,siRNA藥物面臨的問題 siRNA的結(jié)構(gòu)、組成及觸發(fā)RNAi的效果，