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1、结构生物学17 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望蛋白质工程l什么是蛋白质工程？l蛋白质分子设计l蛋白质工程的应用l蛋白质工程目前的问题什么是蛋白质工程？l蛋白质工程是以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系为基础，通过分子设计和由设计结果所指导的基因修饰和基因合成，对天然蛋白质加以定向改造，构建并最终生产出性能比自然界存在的蛋白质更加优良、更加符合人类社会需要的新型蛋白质的学科领域。l通俗地说，蛋白质工程就是对自然界存在的蛋白质加以改造，或者制造结
2、构和性能全新的蛋白质。蛋白质工程研究的基本途径蛋白质分子设计结构测定、结构功能关系研究期望的结构氨基酸序列DNA序列基因工程：克隆和表达蛋白质纯化功能分析 天然蛋白质分子的三维结构及其与生物功能的关系是蛋白质工程的基础和蓝图 蛋白质分子设计为蛋白质工程的实施提供设计方案预期功能新蛋白质蛋白质分子设计l利用计算机模拟技术设计突变蛋白质或全新蛋白质以获得预期的结构和功能。l基于天然蛋白质结构的分子设计 目的：优化蛋白质的性能，改善它们的药效动力学性质等 步骤：n从天然蛋白质的三维结构（实验测定或预测）出发，利用计算机模拟技术确定突变位点及替换的氨基酸。n利用能量优化及蛋白质动力学方法预测修饰后的蛋
3、白质结构。n预测的结构与原始的蛋白质结构比较，利用蛋白质结构-功能或结构-稳定性相关知识及理论计算预测新蛋白质可能具有的性质。l全新蛋白质设计或蛋白质从头设计 目的：n合成具有新奇的结构和功能的蛋白质n探索蛋白质的折叠机理反折叠研究突变蛋白质设计中常用同源模建方法预测突变蛋白质的结构Helices-conservedSheets-conservedLoops,coils-variable1987年美国杜邦公司的DeCrado等人设计了一个74个残基的非天然蛋白质，它具有期望的4股a螺旋结构。Helix:-GELEELLKKLKELLKG-Loop:-PRR-A:16个残基的肽形成的四聚体B:3
4、2个残基的肽形成的二聚体C:74残基的蛋白质形成四螺旋束蛋白质工程的应用l医药卫生领域n胰岛素的蛋白质工程：长效胰岛素n天花粉的蛋白质工程：克服毒副作用n抗体的人源化：消除过敏反应l工农业领域n凝乳酶：乳制品生产n枯草杆菌蛋白酶：洗衣粉添加剂n菌紫质（BR）：新一代计算机的分子电子材料蛋白质工程目前的问题l蛋白质分子设计的准确性有待提高n蛋白质分子的折叠密码尚未破译，目前还不能从氨基酸序列精确地预测三维结构l设计的蛋白质与天然蛋白质比较，缺乏结构的独特性和明显的功能优越性，目前还没有通过蛋白质设计得到所希望的有重要应用价值的新蛋白质。l蛋白质类药物自身有很多缺点n易分解性n免疫副反应n难以穿透
5、细胞膜l因此目前相当大的注意力从蛋白质工程开始转向非蛋白质工程，即利用蛋白质工程的技术来开发非蛋白类的小分子药物。药物设计与蛋白质工程已经出现了一种融合的趋势。基于结构的药物设计基于结构的药物设计是结构生物学最直接的医学应用，在制药工业上有广阔的应用前景。l什么是基于结构的药物设计？l药物与靶标分子的对接及需考虑的问题l一种治疗AIDS的药物HIV蛋白酶抑制剂的设计开发l“超阿斯匹林”药物的设计开发什么是基于结构的药物设计？l传统的药物开发方式：天然产物化学合成物大量的实验筛选过程先导化合物先导化合物的优化预临床研究临床试验（一期，二期，三期）上市的新药筛选1.52万种化合物，花费1015年时
6、间，耗资35亿美元n先导化合物：制药学研究人员用来作为一种药物的基础的化合物，通常是小分子。它表现出一些期望的生物活性，但还不能作为药物使用，它必须被化学修改以改进药效和其他药物性质，才能成为安全有效的药物。l基于结构的药物设计的发展n结构生物学的发展，使相当数量的生物大分子的三维结构已被测定，这些生物大分子很多是药物作用的靶标l药物靶标是药物在体内所作用的对象分子，这些分子往往是蛋白质或核酸，它们通常来自病毒或细菌，或者是一种异常的人体蛋白质n基于结构的药物设计就是充分利用靶标分子的详细的三维结构来开发药物的方法l目前500个药物的靶标l人类基因组计划预计将产生100,000个蛋白质，其中预
7、期会发现5000个新的药物靶标蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质/多肽多肽多肽多肽 95%95%只有少数靶标的结构是已知的只有少数靶标的结构是已知的只有少数靶标的结构是已知的只有少数靶标的结构是已知的l基于结构的药物设计的过程计算机图形学及理论计算进行药物设计新化合物合成药效测定临床实验没有预期药效有预期药效先导化合物的改造以改进药效和其他药物性质靶标分子的三维结构模型靶标的发现与鉴定疾病的分子生物学研究先导化合物可上市的新药物预临床研究l基于结构的药物设计与传统药物开发方式的比较n传统方式：药物靶标结构未知，需要盲目的筛选大量的化合物，非常耗资、耗时。n基于结构的药物设计：靶标分子的三维结构已知，通过
8、使用分子建模软件，可以理性地设计药物分子，大大减少了实验筛选的数量，节约了开发时间和开发资金。（1215年46年）l靶标分子的类型n酶n抗体n致癌基因或抑癌基因表达产物n细胞表面受体n转录因子原则上，只要是具有生物功能又已知结构的生物大分子，都可以设计与之互补的小分子来调节它们的生物功能。药物与靶标分子的对接l药物与靶标分子的相互作用模型n锁钥模型知道“锁”（靶标）的结构后，我们就可以设计钥匙（药物）的结构。l药物与靶标的对接是在计算机上使用软件进行的，通过对接软件可以实现高通量的筛选一种治疗一种治疗AIDSAIDS的药物的药物HIVHIV蛋白酶抑制剂的设计开发蛋白酶抑制剂的设计开发lAIDS
9、和AIDS病毒nAIDS：1981年发现艾滋病 正式称谓：获得性免疫缺陷综合症 病因：由人类免疫缺陷病毒（HIV）引起nAIDS病毒：HIV是一种逆转录病毒，携带的遗传物质是RNA。nHIV的生命史l6.4.2 HIV蛋白酶抑制剂的设计和开发n靶标分子HIV蛋白酶的三维结构 1989年，测定了HIV蛋白酶的晶体结构。nHIV蛋白酶抑制剂的设计开发继续改造不对称的分子：NorvirAbbott公司的设计方案：Hoffman-LaRoche实验室：InviraseTMMerch和Co.公司：Crixivan从1988年HIV蛋白酶被鉴定为药物靶标到1996年早期，只花了不到8年的时间就在市场上生产
10、销售了3种药物。l6.4.3 HIV蛋白酶抑制剂的疗效和意义n1995年10月到1996年3月，美国食品药物管理局批准了头三种HIV蛋白酶抑制剂药物。nHIV蛋白酶抑制剂没有成为很多人曾经希望的特效药，但它们还是代表了抗病毒疗法的巨大成功。n现在，蛋白酶抑制剂常常与其他抗HIV药物一起使用，产生一种“鸡尾酒组合”，对于清除病毒它比任何单独的药物更加有效。n意义：HIV蛋白酶抑制剂的开发成功是结构生物学能够改进传统药物开发的典型实例。它表明：从一些关于结构和理性药物设计的观念出发，你能够提出有潜力的药物，它按照预测的方式发挥功能。l6.4.4 未来的希望nHIV的抗药性是怎样产生的？HIV在病人
11、身体中产生大量轻微改变的子代病毒颗粒，其中一些具有抗药性。当大多数病毒颗粒最初被药物清除时，有抗性的突变体能够存活下来继续增殖。最终，感染者体内的大多数病毒颗粒都具有了抗药性，药物对病人就不再有效了。n对抗药性的对治l科学家已经鉴定了HIV蛋白酶的数十个抗药性突变，如图所示。l一些研究人员现在在研制新一代的HIV蛋白酶抑制剂n能专一性地结合突变氨基酸的药物n能专一性地作用于对酶的功能很重要的氨基酸的药物n更有效力、更方便服用、更少副作用的药物用用“超阿斯匹林超阿斯匹林”治疗关节炎治疗关节炎l类风湿性关节炎的病症l治疗关节炎的传统药物及其特点n非类固醇的抗炎症药物（NSAIDs）：阿斯匹林、布洛
12、芬等。nNSAIDs具有副作用，会造成胃肠器官的损伤，包括引起出血性溃疡。l传统药物的作用机制nNSAIDs阻断两个紧密相关的环氧化酶的活动，这两个酶记为：COX-1和COX-2。nCOX-2酶能激活引起炎症的分子和一个免疫反应，阻断它的活性后，NSAIDs就能减轻关节炎的炎症和疼痛。nCOX-1酶能产生前列腺素，后者能保护胃的粘膜层不被消化酸腐蚀。阻断它的活性后，就引起溃疡。l一种“超阿斯匹林”药物Celebrex的开发n所谓“超阿斯匹林”药物：是指既保留NSAIDs的抗炎症性质又没有引起溃疡的副作用的药物。n要开发“超阿斯匹林”药物，就需要开发能关闭COX-2但不关闭COX-1的新药。Searle公司成功地开发了这样的一种药物：Celebrex。nCelebrex不是利用基于结构的药物设计方法开发的，而是用传统的药物化学方法筛选到的。lCOX酶的三维结构和Celebrex的有效性n两种COX酶的三维结构的差异说明了为什么Celebrex能关闭COX-2但不关闭COX-1。nCOX酶的结构还有助于设计新的、第二代和第三代药物。