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生物网络调控在药物研发中的应用

作　者: 薛梦竹
导　师: 蒋华良; 李洪林
学　校: 华东理工大学
专　业: 药物化学
关键词: 系统生物学细胞信号转导通路 RSK2激酶抑制剂天然产物药物警戒性
分类号: R9
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

在传统药物研发和生物学的研究中,人们的思路往往是针对单个基因或者蛋白进行实验设计,因而无法从整体水平上把握药物与机体之间的相互作用。而随着现代生物学理念和实验技术的快速发展,人们逐渐认识到,生命体生理功能的实现往往是由某些类别的生命元件(如激酶、转录因子等),通过特定的生物反应(如磷酸化等)形成有序的通路,联合作用的结果,甚至可能是由多条通路通过交叉作用形成复杂的生物调控网络而完成的。至此,生物学的研究重点开始转向从整体水平上探索生物网络构造的拓扑学特征或生物网络在调控重要细胞进程时的动态变化过程以识别网络中潜在的靶标,开启了药物研发的新时代。概括而言,生物网络调控是多学科背景知识的整合,其运用数学模型阐述生物现象,涉及生物化学、分子生物学、反应动力学、图论数学、计算机科学和药物化学等领域。而根据研究内容的不同,生物网络调控可以分为两个基本分支：一是以反应动力学模型定量化描述网络中各组分元件在一段时间内对于刺激信号进行应答的动态变化过程的系统生物学,另一种则是运用图论理论研究网络中各组分几何性质差异的网络生物学。这两种方法均可用以识别生物调控体系中重要的单个靶标或靶标的组合,而基于这些预测结果,我们可进一步运用现代药物研发中的多项技术进行特定靶标活性药物小分子的发现与改造或“多靶标”药物设计。并且,在获得了具有特定生物活性的小分子之后,我们更可应用上述方法继续探索生物调控体系中各组分对于小分子药物刺激的应答过程,而从整体水平上实现对小分子药物进行药效以及安全性的评估。因此,本文则以以下三个部分开展相关的研究:1. RSK2信号通路的系统生物学研究；2.RSK2抑制剂的结构改造与设计；3.基于DrugBank撤市药物和上市药物-靶标网络的药物安全性研究。具体来说,我们创建了RSK2信号通路计算模型,并经实验证实了以EGF为刺激物,RSK2亦可通过诱导IκBα磷酸化而导致NF-KB通路的活化。此外,我们通过灵敏度分析、参数扫描、重要因子和蛋白初始浓度的扫描以及模型中重要激酶knockdown的模拟实验识别出RSK2、EGFR、MEK和PDK1为通路中的重要调控元件。随后,我们针对RSK2激酶进行了从基于配体的虚拟筛选到先导结构的改造、构效关系探讨及潜在结合模式探索的小分子药物研发过程,得到了天然产物类、苯甲酰肼类、巴比妥类和吲哚酮类四个系列的对RSK2具有较好抑制活性且结构新颖的小分子抑制剂,其中吲哚酮类化合物对RSK2还具有较好的选择性且对于RSK2高表达的人类乳腺癌细胞株和前列腺癌细胞株具有中等的增殖抑制活性。最后,我们从DrugBank数据库中下载了药物和靶标信息,并分别整合成撤市药物-靶标网络和上市药物-靶标网络。而在随后进行的网络拓扑学性质分析中,我们发现,相对而言,上市药物-靶标网络具有更高的节点度、连通组分数和平均邻节点数。此外,我们以撤市药物的化学结构为探针,对上市药物和本课题组的传统中药数据库中的天然产物进行了基于二维指纹相似性计算的药物警戒性研究,发现了47个已经在部分地区和国家处于“不再研究”状态甚至撤市的上市药物,并对75个天然产物做出了“安全性预警”提示。由此,本论文从细胞中重要信号转导通路应答外来刺激时的动态变化过程的探索,网络中重要节点的功能研究及其相关小分子探针的研发以及基于药物-靶标网络拓扑性质分析的药物安全性预警研究的角度,对于药物研发中的生物网络调控方法的应用进行了一个较为系统和清晰的阐述,旨在帮助药物化学家们更好地理解药物-靶标相互作用的特征、过程和具体机制,从而为药物化学家们从整体水平上研究疾病和研发药物提供了有用信息和全新思路。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
第1章绪论  11-23
  1.1 引言  11-12
  1.2 细胞中重要的信号转导通路  12-16
    1.2.1 EGFR通路  12-13
    1.2.2 MAPK通路  13-14
    1.2.3 NF-κB通路  14-16
  1.3 系统生物学的一般研究方法  16-17
    1.3.1 计算系统生物学的数学原理  16-17
    1.3.2 常用数据库与计算工具  17
  1.4 计算机辅助药物设计方法  17-19
    1.4.1 计算机辅助药物设计方法概述  17-18
    1.4.2 计算机辅助药物设计方法在激酶抑制剂研发中的应用  18-19
  1.5 网络生物学的一般研究方法  19-21
    1.5.1 网络生物学概述  19-20
    1.5.2 常用软件和工具  20
    1.5.3. 网络生物学的应用领域  20-21
  1.6 主要研究内容和工作  21-23
第2章 RSK2信号通路的系统生物学研究  23-65
  2.1 引言  23-24
  2.2 材料与方法  24-27
    2.2.1 计算部分  24-25
    2.2.2 生物实验部分  25-27
  2.3 结果  27-61
    2.3.1 RSK2计算模型  27-31
    2.3.2 模型的确证  31-33
    2.3.3 参数拟合  33-36
    2.3.4 模型的模拟分析  36-39
    2.3.5 灵敏度分析和参数扫描  39-46
    2.3.6 模型中各蛋白的in silico knockdown模拟  46-60
    2.3.7 在PC 3细胞中进行的PDK1 knockdown实验  60-61
  2.4 讨论  61-64
    2.4.1 系统生物学方法对于细胞信号转导研究的推动作用  61
    2.4.2 生物实验体系与考察指标的选择  61-62
    2.4.3 参数拟合与优化算法对模型的影响  62
    2.4.4 负反馈回路在模型中的作用  62-63
    2.4.5 PDK1作为癌症治疗靶标的可行性分析  63-64
  2.5 本章小结  64-65
第3章新型RSK2抑制剂的结构设计与优化  65-89
  3.1 引言  65-66
  3.2 材料与方法  66-68
    3.2.1 计算部分  66-67
    3.2.2 生物活性测定部分  67-68
  3.3 结果  68-87
    3.3.1 天然产物类RSK2抑制剂的虚拟筛选  68-73
    3.3.2 苯甲酰肼类化合物的改造与构效关系探讨  73-75
    3.3.3 巴比妥类化合物的改造与构效关系探讨  75-78
    3.3.4 吲哚酮类化合物的改造与构效关系探讨  78-87
  3.4 讨论  87-88
    3.4.1 黄酮类化合物的生理活性特征  87
    3.4.2 分子对接模型的选择  87-88
    3.4.3 不同母核对化合物抑制活性的影响  88
  3.5 本章小结  88-89
第4章基于DrugBank药物-靶标网络的药物安全性研究  89-108
  4.1 引言  89-90
  4.2 材料与方法  90-91
    4.2.1 数据集的准备  90
    4.2.2 网络创建与网络拓扑学分析  90-91
    4.2.3 化学信息学的应用  91
  4.3 结果  91-106
    4.3.1 药物-靶标网络的一般拓扑学性质分析  91-94
    4.3.2 药物-靶标网络的节点中心性研究  94-96
    4.3.3 基于上市药物-撤市药物网络的二维指纹相似性研究  96-105
    4.3.4 关于天然产物的药物安全指示  105-106
  4.4 讨论  106-107
  4.5 本章小结  107-108
第5章全文总结与展望  108-110
  5.1 全文总结  108-109
  5.2 展望  109-110
参考文献  110-128
博士期间发表论文情况  128-130
致谢  130-131
附录  131-134

生物网络调控在药物研发中的应用

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