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β-分泌酶小分子抑制剂发现及葡萄糖激酶激动剂筛选和相应作用机理探讨

作　者: 黎陈静
导　师: 沈旭；蒋华良
学　校: 中国科学院研究生院（上海生命科学研究院）
专　业: 生物化学与分子生物学
关键词: 阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD) β-分泌酶(β-secretase,BACE1) 抑制剂 II-型糖尿病葡萄糖激酶(glucokinase,GK) 激动剂高通量筛选(HTS)
分类号: R96
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

现今,老年痴呆患者在老龄人口中发病率随年龄增加而逐渐升高。阿尔茨海默病(AD)是引起老年人痴呆的最常见原因。研究结果表明脑中β-淀粉样蛋白(Aβ)的沉积是AD发病机理的关键所在,由于β-分泌酶是淀粉前体蛋白(APP)催化水解产生Aβ的限速酶,因此以β-分泌酶为靶标来筛选能特异地抑制其活性的小分子化合物就具有重要的意义。我们运用分子和细胞生物学技术,构建了β-分泌酶的表达质粒,并在TN昆虫细胞里建立了β-分泌酶高效表达系统,经分离、纯化和测活后,利用荧光共振能量转移技术(FRET)建立了β-分泌酶小分子抑制剂酶水平高通量筛选和评价体系,通过对本实验室建立的天然产物化合物库中700多个化合物的筛选和评价,发现2个天然产物(NPLC362、NPLC364)具有较强的β-分泌酶抑制活性,通过结构改造合成其结构类似物10个,并研究了它们对β-分泌酶的抑制活性。大鼠水迷宫实验和避暗实验的评价结果显示,化合物NPLC362对Aβ1-40所致痴呆模型大鼠的学习功能、记忆障碍均有一定的改善作用,可作为抗AD药物设计的先导化合物。葡萄糖代谢紊乱所致的高血糖是II-型糖尿病的特征性表现,该疾病的发生与胰岛素抵抗及胰岛素分泌缺陷均相关。葡萄糖激酶在葡萄糖感受器和葡萄糖稳态平衡过程中发挥着主导作用,因此增加葡萄糖激酶的活性,对于治疗II-型糖尿病将有重要的临床价值。基于此,我们借助相应的分子生物学理论和生物工程技术构建了人源肝脏葡萄糖激酶的表达质粒,并建立了基于大肠杆菌体系的GK高效表达系统。利用表面等离子共振技术(Surface Plasmon Resonance, SPR),我们建立了GK小分子结合活性高通量筛选评价系统;在GK测活原理基础上,我们进一步建立了GK小分子激动剂筛选评价体系。通过对本实验室建立的化合物库的筛选和评价,利用SPR技术发现43个化合物具有较强的GK结合活性,进一步对GK激动活性的研究发现其中2个化合物对GK有一定的激动活性。为了对GK化合物进行合理的结构改造和设计,在计算机分子动力学模拟基础上,我们通过定点突变研究了GK与底物的可能作用机理。对GK的7个单突变和2个双突变的研究结果发现,GK第169位赖氨酸(lysine 169,K169)是GK磷酸化其底物葡萄糖的一个关键氨基酸,它的突变直接导致了整个酶活的丧失;第56位赖氨酸(K56)和第256位谷氨酸(glutamic acid 256,E256)的双突变也使GK完全失活,结合计算的结果,我们分析是由于该双突变完全破坏了K56和E256之间形成的ATP结合部位,从而导致了酶活的丧失。这些影响葡萄糖激酶与其底物结合或活性的关键氨基酸残基信息的揭示将对于GK激动剂的合理设计具有重要的指导作用。

全文目录

摘要  2-5
Abstract  5-13
第一部分 β-分泌酶小分子抑制剂发现  13-58
  第一章引言  13-31
    1.1 研究背景  13-25
      1.1.1 概述  13-14
      1.1.2 老年痴呆的表现及分期表现  14-17
      1.1.3 老年痴呆的病理特征  17-20
      1.1.4 老年痴呆的病因学探究  20-22
      1.1.5 老年痴呆的分类  22-25
    1.2 老年痴呆的治疗现状  25-28
    1.3 我们的研究策略  28-31
  第二章抑制剂筛选评价系统建立  31-45
    2.1 菌种和质粒  31
    2.2 实验方法  31-39
      2.2.1 β-分泌酶克隆的构建  31-39
        2.2.1.1 PCR扩增β-分泌酶（1-454）  31-32
        2.2.1.2 全基因合成6×His－tag核甘酸序列  32-33
        2.2.1.3 双酶切载体pFast Bac1、β-分泌酶（1-454）和6×His－tag片段  33-35
        2.2.1.4 连接载体pFast Bac1、BACE1（1-454）6×His－tag片段  35-36
        2.2.1.5 转化连接产物到DH5α感受态细胞中  36
        2.2.1.6 鉴定阳性BACE1－pFastBac1 克隆  36-37
        2.2.1.7 转座  37-38
        2.2.1.8 分离鉴定重组的Bacmid DNA  38-39
        2.2.1.9 转染TN细胞  39
    2.3 β-分泌酶的表达及纯化  39-41
      2.3.1 β-分泌酶的表达  39-40
      2.3.2 β-分泌酶的纯化  40-41
    2.4 β-分泌酶酶活测定  41-44
      2.4.1 测活原理  41-42
      2.4.2 测活体系  42-43
      2.4.3 测活结果  43-44
    2.5 β-分泌酶抑制剂筛选方法建立  44-45
  第三章 β-分泌酶小分子抑制剂筛选及评价  45-54
    3.1 β-分泌酶小分子抑制剂筛选  45-49
    3.2 动物水平评价  49-53
      3.2.1 水迷宫实验评价  49-51
      3.2.2 避暗试验评价  51-52
      3.2.3 动物水平实验总结  52-53
    3.3 β-分泌酶小分子抑制剂筛选评价及结果讨论  53-54
  参考文献  54-58
第二部分葡萄糖激酶激动剂筛选和相应作用机理探讨  58-98
  第一章引言  58-63
    1.1 葡萄糖激酶的定位和结构  58-59
    1.2 葡萄糖激酶在糖代谢中的功能  59-60
    1.3 葡萄糖激酶与糖尿病的关系  60-63
  第二章葡萄糖激酶激动剂筛选评价系统的建立  63-81
    2.1 葡萄糖激酶的克隆、表达和纯化  63-67
      2.1.1 实验材料  63
      2.1.2 LGK2 原核表达质粒pQE30-LGK2 的构建  63-64
      2.1.3 LGK2 的表达与纯化  64-67
    2.2 LGK2 的酶活测定  67-70
    2.3 葡萄糖激酶激动剂筛选评价系统建立  70-79
      2.3.1 基于SPR技术（BIAcore 551）的化合物结合活性筛选  70-75
        2.3.1.1 测活原理  70-72
        2.3.1.2 测活方法  72
        2.3.1.3 测活结果  72-75
      2.3.2 酶活筛选  75-79
        2.3.2.1 酶活筛选评价系统的建立  75-78
        2.3.2.2 化合物在酶活水平的筛选  78-79
    2.4 结果与讨论  79-81
  第三章影响葡萄糖激酶活性的关键氨基酸残基研究  81-93
    3.1 关键氨基酸残基研究背景  81-82
    3.2 定点突变  82-87
      3.2.1 定点突变克隆  82-84
      3.2.2 定点突变表达与纯化  84-87
    3.3 突变体结构检测  87-90
      3.3.1 荧光检测  87-89
      3.3.2 CD检测  89-90
    3.4 酶活及酶动力学检测  90-91
    3.5 结果与讨论  91-93
  参考文献  93-98
发表文章、申请专利以及获奖情况  98-100
  一、论文发表和专利申请  98-99
  二、获奖情况  99-100
致谢  100

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