基于核酸原理的药物设计

1、基于核酸原理的药物设计第1页/共78页【学习要求学习要求】1. 掌握基于核酸生物代谢合成原理的药物设计主要策略。2. 熟悉核苷类药物的结构特点及反义核酸 与siRNA的主要作用机制。3. 了解核酸的生物合成过程。第2页/共78页 核酸是生物体内遗传信息储存与传递的一个重要载体，在生物功能的调控上也发挥着极其重要的作用，随着人们对核酸的结构与功能认识的不断深入，核酸正在发展成为一个药物设计的重要靶点。 基于核酸代谢机制；基于核酸序列结构；基于DNA双链结构；基于RNA三维结构。第3页/共78页第4页/共78页腺嘌呤 鸟嘌呤 胞嘧啶 胸腺嘧啶 尿嘧啶次黄嘌呤第5页/共78页第一节第一节 核酸的生物

2、合成核酸的生物合成 第6页/共78页1. 从头合成途径（de novo synthesis） 即利用磷酸核糖、氨基酸及二氧化碳等简单物质，在一系列酶的作用下合成嘌呤核苷酸。2. 补救合成途径（salvage synthesis） 即利用体内游离的嘌呤或嘌呤核苷，在酶的作用下合成嘌呤核苷酸。 这两种合成途径在不同组织中的重要性各不相同，例如在肝组织中只进行从头合成，而在脑、脊髓等组织中则只能进行补救合成。一、嘌呤核苷酸的合成一、嘌呤核苷酸的合成第7页/共78页从头合成从头合成 除某些细菌外，几乎所有生物体都能经从头合成途径除某些细菌外，几乎所有生物体都能经从头合成途径合成嘌呤核苷酸。合成嘌呤核苷

3、酸。第8页/共78页 在嘌呤核苷的生物合成中，生物体不是先合成嘌呤，再与磷酸核糖结合生成核苷酸，而是从-D-5-磷酸核糖-1-焦磷酸（PRPP）开始，经过一系列的酶促反应，生成次黄嘌呤核苷酸，然后再转变成其他嘌呤核苷酸。第9页/共78页第10页/共78页第11页/共78页补救合成补救合成第12页/共78页二、嘧啶核苷酸的合成二、嘧啶核苷酸的合成UMP从头合成从头合成第13页/共78页 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过氨基化而转变成相应的胞嘧啶化合物，UMP只有转变为UTP后，才能氨基化生成CTP。第14页/共78页 dTMP是DNA的组成部分，它是由dUMP经甲基化

4、而生成的。 第15页/共78页dNDP的生物转化途径 脱氧核糖核苷酸是脱氧核糖核酸合成的前体，脱氧核糖核苷酸中的脱氧核糖并非是先生成后再组合到脱氧核苷酸分子中的，而是通过核糖核苷酸的还原作用，以氢取代核糖分子中的C-2位的羟基而生成的。 还原反应是在核苷二磷酸NDP水平上进行的。第16页/共78页补救合成补救合成 磷酸化酶催化各种嘧啶与核糖1-磷酸或2-脱氧核糖1-磷酸生成嘧啶核苷，然后嘧啶核苷经细胞激酶的作用生成嘧啶核苷酸。第17页/共78页第二节第二节 代谢拮抗类抗肿瘤、代谢拮抗类抗肿瘤、抗病毒药物的设计抗病毒药物的设计第18页/共78页一、叶酸类抗代谢物一、叶酸类抗代谢物 叶酸是核酸生物

5、合成的代谢物，也是红细胞发育生长的重要因子。叶酸缺乏时，白细胞减少，因此叶酸拮抗剂可以用于缓解急性白血病。 存在于自然界中的叶酸有二氢叶酸和四氢叶酸两种形式，但在人体中只有四氢叶酸具有生理功能，二氢叶酸还原酶（dihydrofolate reductase，DHFR）催化二氢叶酸还原为四氢叶酸。在核酸的生物合成中，四氢叶酸是一碳单元的供给体。第19页/共78页 氨基蝶呤（AMT）和甲氨蝶呤（MTX）是最早用于肿瘤临床治疗的二氢叶酸还原酶抑制剂，它们的化学结构与叶酸相似，通过竞争性抑制DHFR的活性，阻断二氢叶酸还原成为四氢叶酸，从而使细胞内的N5，N10-亚甲基四氢叶酸减少直至耗竭，导致一碳单

6、位的供给源中断，减少了DNA、RNA和蛋白质的生物合成，细胞最终死亡。但长时间使用会在体内蓄积，因此毒副作用大，并且易产生耐药性。（一）二氢叶酸还原酶抑制剂第20页/共78页5-33（一）二氢叶酸还原酶抑制剂第21页/共78页 为提高对肿瘤作用的选择性以及克服MTX易产生耐药性的缺点，人们对MTX和AMT的结构进行各种形式的改造。叶酸第22页/共78页依达曲沙 普拉曲沙第23页/共78页（二）胸苷酸合成酶抑制剂 由于胸苷酸合成酶是从脱氧尿苷酸合成胸苷酸时的关键酶，所以发展胸苷酸合成酶特异性抑制剂是近年来抗肿瘤药物研究的一个重要方向。 第一个应用于临床的胸苷酸合成酶抑制剂是炔丙基去氮叶酸（DDP

7、F，5-40），该化合物对胸苷酸合成酶和二氢叶酸还原酶都有抑制作用。 5-41是水溶性的胸苷酸合成酶抑制剂，因它不影响RNA合成等细胞内的其他生命活动，故不良反应较小。第24页/共78页（二）胸苷酸合成酶抑制剂 第25页/共78页（三）甘氨酰胺核苷酸甲酰基转移酶抑制剂 洛美曲沙是第一个用于临床的甘氨酰胺核苷酸甲酰基转移酶抑制剂，为四氢叶酸的同类物，其不同之处仅将5-、10-位的两个氮原子以碳代替。 洛美曲沙对二氢叶酸还原酶的抑制作用不明显，而主要抑制甘氨酰胺核苷酸甲酰基转移酶，从而抑制嘌呤的合成。第26页/共78页（三）甘氨酰胺核苷酸甲酰基转移酶抑制剂 Agouron公司开发的AG2034（5

8、-43）属于第二代甘氨酰胺核苷酸甲酰基转移酶抑制剂，它是基于E. coli来源的甘氨酰胺核苷酸甲酰基转移酶的X射线晶体衍射结构设计的。 甘氨酰胺核苷酸甲酰基转移酶活性位点的计算分析表明，硫原子的引入能增加额外的亲和作用。 属于这一类型的抑制剂还有Lilly公司开发的LY309887（5-44）。目前这些抑制剂都在临床试验中。第27页/共78页（三）甘氨酰胺核苷酸甲酰基转移酶抑制剂 洛美曲沙第28页/共78页二、嘌呤类抗代谢物二、嘌呤类抗代谢物第29页/共78页主要作用机制主要作用机制1. 直接或者经过生物转化后模拟天然底物的结构与酶直接或者经过生物转化后模拟天然底物的结构与酶竞争性结合，从而抑

9、制竞争性结合，从而抑制DNA和和RNA的合成。的合成。2. 作为伪底物掺入作为伪底物掺入DNA或或RNA链，干扰链，干扰DNA或或RNA的的功能。功能。第30页/共78页6-巯基嘌呤6-巯基鸟嘌呤6-氯法拉滨奈拉滨6-甲巯基鸟嘌呤第31页/共78页 6-巯基嘌呤是次黄嘌呤的衍生物，进入体内后，在次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶的催化作用下，与PRPP反应生成6-巯基嘌呤核苷酸而发挥作用。 巯基嘌呤的衍生物6-甲巯基嘌呤在体外细胞培养时无活性，但在体内具有抗癌活性，这有可能是6-甲巯嘌呤在体内代谢脱甲基后转变成6-巯基嘌呤的结果。第32页/共78页 6-巯基鸟嘌呤的作用类似于6-巯基嘌呤，也是次黄

10、嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶的底物，代谢生成6-巯基鸟嘌呤核苷酸，进一步磷酸化生成6-巯基鸟嘌呤二磷酸或6-巯基鸟嘌呤三磷酸，后者是多聚酶的底物，可以掺入RNA链中。 6-巯基鸟嘌呤也可成为2-脱氧-6-巯基鸟嘌呤核苷酸或其对应的二磷酸、三磷酸衍生物，而经DNA聚合酶的作用掺入DNA链中。第33页/共78页6-6-巯基鸟嘌呤的作用类似于巯基鸟嘌呤的作用类似于6-6-巯基嘌呤巯基嘌呤 氯法拉滨经脱氧胞苷激酶磷酸化为单磷酸衍生物后，接氯法拉滨经脱氧胞苷激酶磷酸化为单磷酸衍生物后，接着被其他激酶连续转变成活性形式的三磷酸衍生物。着被其他激酶连续转变成活性形式的三磷酸衍生物。 氯法拉滨三磷酸通过竞争抑制

11、氯法拉滨三磷酸通过竞争抑制DNA聚合酶，通过聚合酶，通过掺入掺入DNA链中链中而终止而终止DNA链的延长及修复，并能有效抑制核链的延长及修复，并能有效抑制核苷酸还原酶，使细胞内脱氧核苷三磷酸的数目减少，最苷酸还原酶，使细胞内脱氧核苷三磷酸的数目减少，最终导致终导致DNA合成受到抑制。合成受到抑制。第34页/共78页 奈拉滨是奈拉滨是阿糖鸟苷（阿糖鸟苷（Ara-G）的前药）的前药。尽管。尽管Ara-G的的活性从活性从20世纪世纪60年代就为人们所知，但由于其溶解度年代就为人们所知，但由于其溶解度问题而没有用于临床研究。问题而没有用于临床研究。 奈拉滨的水溶解能力约为奈拉滨的水溶解能力约为Ara-

12、G的的10倍，它在体内被倍，它在体内被腺苷脱氨酶去甲基化后生成腺苷脱氨酶去甲基化后生成Ara-G，继而被激酶磷酸，继而被激酶磷酸化形成化形成Ara-GTP并连结到并连结到DNA链上。链上。第35页/共78页三、嘧啶类抗代谢物三、嘧啶类抗代谢物吉西他滨 卡培他滨第36页/共78页5-氟尿嘧啶脱氧核苷5-氟尿嘧啶双呋氟尿嘧啶 5-氟尿嘧啶是根据电子等排原子概念设计的尿嘧啶衍生物。由于氟原子的原子半径与氢原子比较接近，氟代物的体积与原化合物几乎相等，同时CF键比较稳定，在代谢过程中不易分解，因此氟原子不干扰含氟药物与相应细胞受体间的相互作用，能在分子水平代替正常代谢物。 5-氟尿嘧啶脱氧核苷和5-氟

13、尿嘧啶一样，在体内均被转化为5-氟尿嘧啶脱氧核苷酸，5-氟尿嘧啶脱氧核苷酸是这些药物细胞毒作用的活性形式。第37页/共78页5-氟尿嘧啶脱氧核苷5-氟尿嘧啶双呋氟尿嘧啶 5-氟尿嘧啶是临床上广泛应用于治疗实体瘤的抗肿瘤药物，但是5-氟尿嘧啶缺乏选择性，给骨髓、胃肠道、中驱神经系统等方面带来毒性。 替加氟（tegafur）和双呋氟尿嘧啶在体内较稳定，在体内逐渐转变为5-氟尿嘧啶，是5-氟尿嘧啶的前药，毒性比5-氟尿嘧啶小56倍，化疗指数高。第38页/共78页5-氟尿嘧啶脱氧核苷5-氟尿嘧啶替加氟双呋氟尿嘧啶第39页/共78页 地西他滨在体内磷酸化后，掺入RNA和DNA链中，形成非功能性的氮杂RN

14、A和DNA。 卡培他滨是一种具有肿瘤靶向效应的口服5-氟嘧啶核苷类似物，首先在肝脏由羧基酯化酶转化成5-脱氧-5-氟-胞苷，接着由胞苷脱氨酶转化成5-脱氧-5-氟-尿嘧啶，最后由胸苷磷酸酶转化成5-氟尿嘧啶，而后两种酶主要存在于肿瘤组织中。第40页/共78页吉西他滨 卡培他滨地西他滨阿糖胞苷环胞苷第41页/共78页第三节第三节 核苷类抗病毒药物的设计核苷类抗病毒药物的设计第42页/共78页 通过对3-羟基进行非羟基化取代、脱氧修饰或L-构型修饰后，再被细胞激酶逐步磷酸化而生成三磷酸衍生物。 这些三磷酸衍生物是DNA聚合酶底物dNTP的竞争性抑制剂，它们通过与DNA聚合酶结合并连接到DNA链上，

15、由于其3-羟基的缺失，不能再继续进行53链的延长，因而使病毒DNA的复制被终止，主要用于治疗HIV和HBV。一、基于核苷糖环修饰的药物一、基于核苷糖环修饰的药物第43页/共78页齐多夫定齐多夫定 扎西他滨扎西他滨 司他夫定司他夫定拉米夫定拉米夫定 恩曲他滨恩曲他滨 克拉夫定克拉夫定 第44页/共78页 齐多夫定是第一个获准用于治疗HIV-1感染患者的药物。它是脱氧胸苷的类似物，在体内经磷酸激酶的逐步磷酸化转变成为活性形式的三磷酸衍生物。 三磷酸衍生物是HIV-1逆转录酶的竞争性抑制剂，阻碍前病毒DNA的合成。第45页/共78页阿糖腺苷（阿糖腺苷（广谱广谱） 地丹诺辛地丹诺辛 阿巴卡韦阿巴卡韦

16、恩替卡韦恩替卡韦第46页/共78页 与基于糖环修饰的核苷类抗病毒药物相比，基于碱基修饰的抗病毒药物数目较少。碱基的修饰主要集中在嘧啶的C-5或C-6位取代、嘌呤杂环的氮杂或去氮修饰等，主要用于治疗疱疹病毒（HSV和VZV）。二、基于核苷碱基修饰的药物二、基于核苷碱基修饰的药物第47页/共78页碘苷 碘代脱氧胞苷 BVDU利巴韦林（广谱） 3-去氮腺苷（广谱） 第48页/共78页 无环核苷可看成是核苷的呋喃糖环被打开的一类核苷类似物。目前临床上治疗疱疹病毒（HSV、VZV、CMV）感染的药物大多属于无环核苷类化合物。 泛昔洛韦的作用过程包括首先在肠壁经酯化酶作用水解脱去一个4-乙酰基，接着在肝脏

17、脱去另一个乙酰基形成6-脱氧喷昔洛韦，6-脱氧喷昔洛韦再经肝脏醛氧化酶的氧化形成喷昔洛韦。缬昔洛韦（前药） 缬更昔洛韦（前药） 泛昔洛韦（前药） 三、无环核苷三、无环核苷第49页/共78页阿昔洛韦 更昔洛韦 喷昔洛韦缬昔洛韦（前药） 缬更昔洛韦（前药） 泛昔洛韦（前药） 第50页/共78页 在无环核苷类似物被细胞吸收后，它们要经过3个连续的磷酸化过程转变为三磷酸形式，然后再与靶酶即病毒DNA聚合酶作用。 在磷酸化过程中，最关键的是第一步磷酸化过程，它是由HSV或VZV中特异病毒编码的胸苷激酶（TK）或CMV中特异病毒编码的UL97蛋白激酶（PK）来实现的。第51页/共78页第52页/共78页

18、无环核苷磷酸酯是在其醚链部分通过P-C键连有1个磷酸基，与P-O键相连的磷酸基相比，P-C键不能被细胞内的酯酶水解。这类化合物由于不需要疱疹病毒的胸苷激酶进行一磷酸化，所以具有广谱抗病毒活性。第53页/共78页 西多福伟 阿德福韦 泰诺福韦阿德福韦酯 （前药） 泰诺福韦酯（前药） 第54页/共78页第四节第四节 反义核酸与小干扰反义核酸与小干扰RNARNA药物的设计药物的设计第55页/共78页 反义寡核苷酸药物以及小干扰RNA（small interfering RNA，siRNA）药物是在核酸水平上阻断蛋白质的合成，在疾病发生的源头高度特异性地使疾病相关基因沉默。第56页/共78页第57页/

19、共78页 反义核酸与靶序列结合后，反义核酸与靶序列结合后，通过两种途径即阻塞或酶水通过两种途径即阻塞或酶水解来终止靶序列的功能。解来终止靶序列的功能。 阻塞机制阻塞机制只是通过反义核酸只是通过反义核酸与靶序列结合改变空间结构，与靶序列结合改变空间结构，使参与复制、转录或翻译的使参与复制、转录或翻译的各种酶无法与该序列结合，各种酶无法与该序列结合，从而使功能终止。从而使功能终止。 第58页/共78页 酶水解机制是指反义核酸与靶序列结合后激活某些酶而将靶序列降解。反义核酸激活酶的能力直接影响反义抑制效果。参与水解靶序列的酶最常见到的是RNaseH。第59页/共78页反义核酸结构的化学修饰方式反义核

20、酸结构的化学修饰方式 磷酸二酯键组成的天然的寡核苷酸易受体内各种酶的降解，同时也存在难于透过细胞膜的问题，因此对天然的寡核苷酸进行化学修饰是提高寡核苷酸药物的生物利用度所必需的。第60页/共78页第61页/共78页反义核酸药物反义核酸药物硫代磷酸二酯类 MOE类 构象锁定型 酰胺骨架型 第62页/共78页反义核酸药物面临的问题反义核酸药物面临的问题 透膜能力、酶稳定性和特异性一直是阻碍反义核酸药物发展的瓶颈。 通过适当的化学修饰可以部分解决这些方面的问题，但随之而来的是在大多数情况下将使产品的合成成本大大增加，势必会影响将药品推向市场。 与此同时，其生物学效应研究也有待深入。第63页/共78页

21、siRNAsiRNA药物药物 siRNA必须与多种蛋白结合形成一种RNA诱导沉默复合体（RNA induced silencing complex，RISC），该复合体由核酸内切酶、核酸外切酶、解旋酶和同源RNA搜索活性蛋白等组成。第64页/共78页 RNAi的作用经过如下过程：外源进入的长双链RNA被Dicer酶识别，以一种ATP依赖的方式逐步切割成长2123个核苷酸的由正反义链组成的双链RNA（siRNA），接着由ATP激活的RISC与双链siRNA结合，并使之解旋和解链，然后在siRNA反义链指导下，与siRNA具有同源序列的靶mRNA结合，并在距离5-端1011个核苷酸处将它切断，导致转录后基因沉默。第65页/共78页 siRNA为2123个核苷酸长的双链RNA，而且每条链的3-端都带有两个未配对的核苷酸。在设计siRNA序列时通常要考虑siRNA的序列结构特征、靶RNA的空间结构、siRNA与RISC的相互作用以及siRNA与mRNA的碱基错配等。21-23 nt正义链35反义链533-未配对核苷酸-OH2-O3P-HO-PO32-第66页/共78页siRNAsiRNA药物面临的问题药物面临的问题 siRNA的结构、组成及触发RNAi的效果，会因基因、种属、细胞类型，甚至实验体系的不同而有变异。