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转录因子调节剂突破性研究

2017-12-18

发展转录因子调节剂设计新方法,开展天然产物作用机制研究


       近日,国际知名学术期刊《核酸研究》(影响因子10.16)在线报道了华东理工大学李洪林教授、第二军医大学张卫东教授以及中美(河南)荷美尔肿瘤研究院、郑州大学刘康栋教授和董子钢教授等最新合作成果——Veratramine modulates AP-1-dependent gene transcription by directly binding to programmable DNA(Nucleic Acids Res., 2017. DOI:10.1093/nar/gkx1241)。科研团队通过发展转录因子调节剂设计新方法,首次发现藜芦胺是AP-1靶基因序列的天然调节剂并明确其作用机制。

       随着人类基因组的基本完成及各种组学工作的进展,生物学数据的积累呈指数性增长,药物靶标类型也呈现出多样性。据统计,转录因子在癌症相关基因中贡献较多,然而在可药性靶标中仅占5.6%。这是一类极为重要,但却因其研究的复杂性和难度,在过去的研究中而不得不被忽视的潜在药物靶标。近年来,针对酶、受体等靶标的药物设计方法已发展相对较成熟,但针对转录因子为靶点的计算方法一直是药物设计中的难点问题之一。

       药物与各类靶标的相互作用方式和机理不尽相同,在药物设计实践中应区别对待,需要“量体裁衣”式地针对不同靶标,发展针对性的打分函数或结合自由能的精确计算方法。然而,现有的分子对接方法仍不能很好地处理此类问题。大道至简,方法为先——根据不同类型的靶标发展更具针对性(特异性)的药物设计技术,是提高基于结构药物设计方法成功率的一条有效途径,且在具体的药物发现中,此类方法往往获得比通用方法更好的效果。

       华东理工大学李洪林教授、美国莱斯大学白芳博士(毕业于大连理工大学)基于反玻尔兹曼统计方法,发展了一套针对DNA-配体结合的特异性打分函数,并设计了多目标优化模型,开发了DNA-配体的特异性分子对接方法iDNAbinder。该方法与现有分子对接方法相比,能够针对转录因子DNA结合的转录响应元件(TRE)筛选高选择性的小分子配体。随后,他们与郑州大学刘康栋教授、第二军医大学张卫东教授针对转录激活因子activating protein-1(AP-1)筛选了自有的天然产物数据库,成功地发现了特异性识别AP-1靶基因序列的一类天然调节剂——藜芦胺及其类似物。实验结果表明藜芦胺可以选择性与AP-1靶DNA序列的特定位点(TRE 5'-TGACTCA-3')结合,从而调节依赖AP-1的基因转录,有效抑制其下游疾病相关基因的表达;通过RNA-seq实验证明,藜芦胺与其类似物环巴胺具有截然不同的作用机制,不会介导Hedgehog信号传导途径,且可以剂量依赖性地抑制EGF诱导的AP-1反式激活和JB6 P +细胞的转化。中美(河南)荷美尔肿瘤研究院、郑州大学刘康栋教授和董子钢教授进一步证明了藜芦胺可抑制小鼠体内UV诱导的AP-1报告基因的激活,预示藜芦胺可以有效地预防SUV诱导的皮肤癌症的发生,从而明确藜芦胺作为抗癌候选药物的潜在价值。

       这一结果不仅为抗肿瘤药物研发提供了新的靶点和研究思路,也为转录因子调节剂的研究提供了新的药物设计方法和研究范式。

       该研究项目得到了国家重点研发计划“蛋白质机器与生命过程调控”重点专项(课题编号:2016YFA0502304)、自然科学基金(81372269)及自然基金重点项目(81230090)等项目的资助。


原文链接:https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkx1241/4716936
媒体报道: 科学网 药学学报 大品种联盟

天然产物大花旋覆花内酯靶标研究

2017-09-07

天然产物大花旋覆花内酯作用靶标发现与确证


       上海市新药设计重点实验室李洪林教授课题组与第二军医大学张卫东教授课题组合作,首次发现传统中药旋覆花抗氧化应激分子作用靶标,研究结果“Britanin Ameliorates Cerebral Ischemia–Reperfusion Injury by Inducing the Nrf2 Protective Pathway”发表在国际知名学术期刊《抗氧化剂与氧化还原信号》上,该研究论文被选为本期封面文章(Antioxid. Redox Signal., 2017, 27(11), 754-768)。

       《神农本草经》记载,中药旋覆花具有“主结气胁下满,惊悸。除水,去五脏间寒热,补中,下气”的功效。研究人员通过构建原代神经元细胞损伤筛选模型对中药旋覆花的活性成分进行筛选,发现一种叫大花旋覆花内酯的小分子化合物可以显著保护神经元细胞抵抗氧化应激损伤。在与氧化损伤密切相关的大鼠脑卒中模型中,大花旋覆花内酯能降低大脑梗死体积,改善神经损伤程度,有望开发成为新一代的抗氧化损伤新药。

       氧化应激与诸多疾病的发生发展过程密切相关,包括脑卒中、神经退行性疾病和肿瘤等。神经细胞损伤实验显示,大花旋覆花内酯可以显著保护原代神经元细胞,抵抗氧和葡萄糖缺乏再灌注诱导的细胞损伤,显著降低活性氧水平。在脑卒中动物模型中,大花旋覆花内酯可以高效降低大脑梗死体积,缓解卒中模型造成的氧化应激压力。利用化学生物学方法,研究人员系统研究了大花旋覆花内酯抗氧化应激作用的作用机制和分子靶标,证实大花旋覆花内酯通过与Keap1直接作用激活Nrf2-ARE抗氧化信号通路。研究人员通过分子模拟,预测了大花旋覆花内酯在Keap1蛋白上的结合位点和结合模式,进而通过小分子和蛋白质复合物共结晶实验验证(PDB ID:5GIT),证实大花旋覆花内酯结合在Keap1蛋白的BTB口袋,且与该口袋内的Cys151残基形成共价键。此外,大花旋覆花内酯可干扰Keap1与Cul3的相互作用,进而抑制Nrf2泛素化,发挥抵抗氧化应激诱导细胞和组织损伤的能力。

       针对脑卒中等氧化应激相关疾病的新药研发,不仅有助于改善患者的生活质量,同时也具有巨大的市场前景。大花旋覆花内酯抗氧化应激相关疾病的研究成果已经申请多项国内外发明专利。以其为核心的结构改造和临床前研究工作也正在有序推进中。

       该研究项目得到了国家自然科学基金和上海市科委项目的资助。


文章链接:http://online.liebertpub.com/doi/pdfplus/10.1089/ars.2016.6885
媒体报道:http://www.cntcm.com.cn/2017-04/20/content_29064.htm

第三代EGFR靶向候选药物研究

2016-10-17

第三代EGFR靶向候选药物研究取得重要进展


       继美国化学会《Journal of Medicinal Chemistry》在第59卷13、14期连续发表上海市新药设计重点实验室李洪林教授课题组关于新型急性髓系白血病候选药物和长效抗糖尿病候选药物的相关研究后,在最近一期(第59卷15期)上再次发表其研究团队的EGFRL858R/T790M选择性抑制剂方面的重要研究进展(J. Med. Chem., 2016, 59, 15: 7111−7124)。

       肺癌是世界范围内发病率和死亡率最高的癌症之一,其中约85%为非小细胞肺癌(NSCLC)。临床治疗中,结合传统的放、化疗等手段,针对表皮生长因子受体(EGFR)和血管生成(Angiogenesis)信号通路的靶向治疗已经在晚期非小细胞肺癌的治疗上取得成功。以EGFR靶向药物,如吉非替尼(Iressa)、厄洛替尼(Tarceva)等第一代靶向药物,作为一线药物在肺癌临床治疗中被证明是非常有效的,且针对具有19号外显子缺失或L858R突变敏感基因突变的人群(主要是东亚人群)效果尤为明显。但临床治疗中出现了新的问题,即以EGFR靶向药物治疗后,50%以上的肺癌病人会在治疗6-12月内出现获得性耐药。因此,作为临床紧缺药,开发EGFRL858R/T790M选择性抑制剂(第三代靶向药物)进而克服临床耐药突变具有重要现实和应用价值。

       李洪林教授与徐玉芳教授、药物所谢华研究员合作,以前期的研究工作(J. Med. Chem., 2013. 56, 20: 7821–7837)为基础,通过计算机辅助药物设计,设计并合成了一系列6,7-二氧代-6,7-二氢喋啶类EGFR-L858R/T790M选择性抑制剂。此类衍生物在分子和细胞水平对双突变型EGFR(EGFRL858R/T790M)均表现出显著的选择性抑制作用(选择性>400倍)。代表性化合物17d在50 mg/kg/d的口服给药剂量下,对耐药突变H1975裸鼠移植瘤模型也表现出较强的抑瘤活性(TGI = 52%)。该研究获得的候选化合物具有安全性好、选择性突出、口服生物利用度高、药效显著等优点,为T790M突变耐药的NSCLC临床治疗提供了结构新颖的候选药物。

       该研究项目得到了自然基金委、科技部及上海市科委的资助。


原文链接:http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jmedchem.6b00403

新型长效抗糖尿病候选药物研究

2016-08-13

基于天然产物的新型长效抗糖尿病候选药物研究


       上海市新药设计重点实验室李洪林教授与上海药物所研究人员合作,在新一期药物化学领域核心期刊——美国化学会《药物化学杂志》上发表文章,报道了他们针对Ⅱ-型糖尿病治疗的重要靶标DPP-4的新型长效候选药物研究取得的重要进展(J. Med. Chem., 2016, 59 (14), 6772–6790)。

       糖尿病是一种常见的慢性代谢性疾病,近年来,全球糖尿病患者数量增加迅速,其中Ⅱ-型糖尿病患者占所有糖尿病患者的90%。据国际糖尿病联盟(IDF)2015年最新发布的数据显示,全球范围内,每11名成年人就有1人患有糖尿病(总计4.15亿患者)。我国糖尿病患病率超过其它国家,患者人数已达1.1亿,成为了名符其实的糖尿病第一大国。据WHO报道,2005-2015年,我国因糖尿病及相关心血管疾病导致的经济损失已超过5000亿美元。由此可见,糖尿病不仅给患者到来身体及精神上的损害,还给家庭和国家带来沉重的经济负担。

       二肽基肽酶IV(DPP-4)抑制剂是近10年发展起来的新型口服降糖药。2006年西格列汀(Sitagliptin)的上市拉开了DPP-4抑制剂进军糖尿病市场的帷幕。根据各家糖尿病药物企业发布的2015年财报,2015年全球糖尿病药物市场约有377亿美元左右,而DPP-4药物以约90亿美元的市场份额排名第二。DPP-4抑制剂通过选择性抑制DPP-4的活性,阻止内源性胰高血糖素样肽1(GLP-1)的裂解失活,可起到改善糖脂代谢、减少β细胞凋亡和促进β细胞增殖的作用。与其他降糖药物相比,DPP-4抑制剂具有不增加体重、不产生低血糖、不引起水肿等独特优势使其成为糖尿病药物研究的焦点。虽已有10个DPP-4抑制剂被批准上市,但是,由于糖尿病是慢性病,需要长期服药,为改善患者的便利性和依从性,一周给药一次的长效口服DPP-4抑制剂才是各大制药公司目前研究的热点。

       李洪林教授课题组前期采用其发展的基于反向对接的计算化学生物学方法,发现了具有DPP-4中等强度的抑制活性(IC50 = 14.13 μM)天然产物——异瑞香新素。以该天然产物为起点,其课题通过药物设计手段开展骨架跃迁、药效团嫁接,获得了一类骨架新颖的2-苯基-3,4-二氢-2H-苯并[f]色满-3-胺类DPP-4抑制剂,并将其抑制活性提高近10000倍。代表性化合物IC50值约为2.0 nM,具有良好的成药性、较长的体内半衰期、较高的口服生物利用度(F = 89%)。体内药效学实验表明,在ob/ob小鼠体内代表性化合物(3 mg/kg)能持续抑制 > 80%的DPP-4活性超过24小时。进一步的口服葡萄糖耐受实验表明,该化合物改善葡萄糖耐受性的能力优于长效降糖药物奥格列汀(Omarigliptin)。该项研究为开发具有良好成药前景的靶向DPP-4的长效口服的抗糖尿病候选药物提供了新化学实体。

       该研究项目得到了自然基金委、国家科技部及上海市科委的资助。


原文链接:http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jmedchem.6b00505

新型急性髓系白血病候选药物研究

2016-07-15

上海市新药设计重点实验室李洪林课题组与徐玉芳课题组 新型急性髓系白血病(AML)候选药物研究


       上海市新药设计重点实验室李洪林与徐玉芳教授课题组通力合作,在新一期药物化学领域权威期刊——美国化学会《药物化学杂志》上文章,报道了他们在FLT3激酶选择性抑制剂取得的重要进展(J. Med. Chem. 2016, 59, 6187-6200)。

       急性髓细胞白血病(Acute Myeloid Leukemia,AML)是成年人血液系统常见的恶性癌症。该病以骨髓与外周血中原始髓性细胞异常增殖并抑制正常造血为特征,临床表现为贫血、出血、脏器浸润、代谢异常等。患者的5年存活率仅25%, 多数病例病情急重,如果不及时加以治疗,通常在几个月内就会导致死亡。科研人员发现,FLT3 基因的异常表达、突变与急性髓细胞白血病的发生、发展及预后有密切关系。大约30%急性髓系白血病患者中存在FLT3的基因变异,其中FLT3蛋白的近膜结构域的内部串联重复序列突变(FLT3-ITD)占FLT3突变的67%,并且携带该类突变的患者预后较差。FLT3突变已是急性髓系白血病中重要的原癌基因,是一个经过临床验证的治疗急性髓系白血病的有效药物作用靶点。目前国际上普遍采用化疗和造血干细胞移植的方法治疗急性髓系白血病,前者毒副作用明显,而后者虽有可能根治该类疾病,但仍存在配型难、手术费用高昂等缺点。

       该研究在课题组前期自主开发的EGFR抑制剂的基础上,通过药物设计研制出的高活性高选择性的FLT3抑制剂,现已完成候选药物研究阶段。该候选药物在体外对野生型、ITD突变型以及耐药突变型FLT3激酶展现出极强的抑制活性,可以有效抑制FLT3-ITD阳性急性髓细胞性白血病细胞株的增殖,并且对其他白血病及实体肿瘤细胞株体现出较高的选择性;其对急性髓性白血病中的FLT3-ITD阳性的FLT3激酶自磷酸化及下游信号通路具有较好抑制作用,并且能有效使细胞周期G0/G1期阻滞,诱导此类细胞凋亡;在动物模型实验中,可以减缓FLT3-ITD阳性急性髓细胞性白血病肿瘤在小鼠体内的增长,50 mg/kg/d的口服剂量肿瘤抑制率(TGI)达128%。该候选药物具有成药性好、体内半衰期较长、口服利用度较高、早期安全性好、疗效显著,为急性髓系白血病的临床治疗提供有全新结构的候选药物。

       该研究项目得到了自然基金委、国家科技部及上海市科委的资助。


原文链接:http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jmedchem.6b00374

药物设计图形软件eSHAFTS

2016-06-24

上海市新药设计重点实验室推出国产基于分子三维相似性的药物设计图形软件eSHAFTS


       药物设计技术已作为一种实用化的工具介入到了药物研究的各个环节,并已成为创新药物研究的核心技术之一。我国药物设计软件的集成和开发发展相对较晚,科研工作者还需要较多地依赖国外公司的专业软件。“工欲善其事,必先利其器”,在国家高技术研究发展计划(863计划,项目编号:2012AA020308)的资助下,上海市新药设计重点实验室李洪林课题组和信息科学与工程学院何高奇课题组通力合作,历时两年的联合开发,近期推出了国内首个基于分子三维相似性的药物设计图形用户界面系统eSHAFTS(软件版权:2015SR078266;专利公开号:CN104573268A)。该交互式图形系统基于C/S模式,设计了高效的通信中间件和用户工作流,可同时支持客户端的交互计算以及服务器端的服务和计算。

eSHAFTS启动及操作界面

       基于分子三维相似性的药物设计方法不依赖于靶标蛋白质的三维结构,便可完成药物发现过程中的虚拟筛选和骨架跃迁等功能,进而指导化学结构修饰及改造。国际上商业化分子三维相似性软件包括基于形状的三维分子相似性筛选程序ROCS、Schrödinger公司的Shape Screening模块等。eSHAFTS为国内首个三维相似性评价软件包,同现有商业软件相比,具有界面友好、易于操作、计算精确度高等优点,便于专业及化学、生物学等非药物设计专业科研人员使用;该系统同时涵盖了靶标发现及识别、先导化合物发现及优化等功能,可满足目前国内外药物发现的计算和研究需要。eSHAFTS已被下载使用数十次,其精确的计算结果、优越的计算性能也得到用户积极反馈。软件下载地址 http://lilab.ecust.edu.cn/home/resource.html