抑制蛋白质淀粉样纤维化的活性化合物筛选评价及作用机理研究

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蛋白质淀粉样纤维化是指在机体代谢紊乱或病理的条件下,一些蛋白质受内源性或外源性因素的诱导会发生异常的构象转变,错误折叠形成不溶性的淀粉样纤维或聚集体。这些纤维聚集体的沉积能够诱导细胞凋亡,引起多种病理学特征,并最终导致阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)、帕金森病(Parkinson’s disease,PD)和II型糖尿病(Type 2 diabetes mellitus,T2DM)等多种淀粉样蛋白相关疾病。因此,抑制蛋白质淀粉样纤维化被认为是治疗淀粉样蛋白相关疾病的重要策略。近年来,对于蛋白质淀粉样纤维化抑制剂的研究颇多,其中小分子化合物被认为具有广泛的应用前景。目前关于小分子抑制剂的研究主要集中在多酚和黄酮类的天然化合物领域,而很少涉及针对上市化学药物的再评价研究。与一些天然化合物相比,已上市化学药物在代谢动力学、安全性、毒性等方面已得到广泛的研究。因此,基于“老药新用”的理念,将已上市化学药物重新定位用于抗淀粉样纤维化和治疗淀粉样蛋白相关疾病,可以有效节省研发时间和成本,具有更高的成药性前景。本文使用经典模型蛋白人溶菌酶(Human lysozyme,HL)构建了体外淀粉样纤维化模型,对上市的化学药物进行抑制活性筛选,初步得到了恩他卡朋(Entacapone,Ent)、卡托普利(Captopril,CAP)和西咪替丁(Cimetidine,Cim)三个活性化合物;之后,通过光谱学实验和显微镜成像技术系统评价了Ent、CAP和Cim对HL淀粉样纤维化的抑制作用;最后,通过荧光光谱法、二维核磁共振波谱法结合分子对接模拟研究了Ent、CAP和Cim与HL的相互作用,探讨其发挥抑制作用的潜在机理。本论文主要包括以下三个部分:第一部分:通过硫黄素-T(Thioflavin-T,Th T)荧光法、8-苯胺-1-萘磺酸(8-Anilino-1-naphthalenesulfonic acid,ANS)荧光法、刚果红(Congo red,CR)紫外光谱法、瑞利光散射法、动态光散射法和原子力显微镜(Atomic force microscopy,AFM)成像技术研究了Ent对HL淀粉样纤维化的影响。光谱学的研究结果表明,Ent能通过减少β-折叠结构的形成、疏水区域暴露的程度以及纤维聚集体的粒径大小来抑制HL淀粉样纤维的形成,同时降低了HL纤维化动力学过程的速率常数,并延长了纤维形成的滞后时间。AFM可以直接观察到Ent存在时HL丝状纤维的数量和长度明显减少。此外,通过荧光猝灭法和分子对接模拟研究表明,Ent与HL活性口袋的Glu35、Asp53、GIn58、Trp64、Ala108和Trp109氨基酸残基相互作用,并通过氢键作用力与HL的Glu35和Asp53氨基酸残基直接结合。二维核磁共振波谱实验的结果进一步发现,HL的Trp64和Trp109氨基酸残基在与Ent的结合中起着重要作用,与分子对接结果有很高的相关性。第二部分:通过多种生物物理和显微镜成像相结合的方法研究了CAP对HL淀粉样纤维化的影响。Th T和CR光谱学实验结果表明,CAP呈浓度依赖的方式阻止了HL淀粉样纤维的形成,圆二色(Circular dichroism,CD)光谱实验结果表明,CAP减弱了HL从天然的α-螺旋构象向富含β-折叠结构的HL纤维转变。通过动态光散射法、瑞利光散射法和浊度法检测,我们发现,CAP能够降低HL纤维聚集体的粒径大小,延缓了HL纤维的形成。基于AFM和透射电子显微镜(Transmission electron microscope,TEM)的可视化观察,进一步证实了CAP存在时HL纤维的数量和长度明显减少。通过MTT实验,我们发现CAP降低了HL纤维诱导的细胞毒性,提高了细胞的存活率。蛋白质-配体相互作用的研究结果表明,CAP以静态猝灭的方式与HL相互作用,并通过氢键作用力与HL活性口袋中的Glu35和Ala108氨基酸残基直接结合,形成了稳定的CAP-HL复合物。第三部分:通过光谱学实验、显微镜成像以及分子对接模拟相结合的方法研究了Cim对HL淀粉样纤维化的影响。各种光谱学实验结果表明,Cim以浓度依赖的方式抑制HL的淀粉样纤维化。通过TEM可视化进一步证实了光谱学的结论,Cim的加入可以使HL纤维的长度明显缩短,直的和长的纤维数量显著减少。通过荧光猝灭法和分子对接研究了Cim与HL之间的相互作用,结果表明Cim以静态猝灭的方式与HL相互作用,氢键和范德华作用力在Cim-HL复合物的形成过程中起主要作用。综上,本文基于体外模型对上市药物进行了淀粉样纤维化活性再评价,并深入研究了Ent、CAP和Cim等三种药物的作用机理。结果发现,Ent、CAP和Cim能够通过多种作用力与HL易聚集倾向区域的关键氨基酸残基结合,形成的蛋白质-配体复合物维持了HL的构象稳定性,从而起到了抑制HL淀粉样纤维化的作用。本文取得的研究结果将有助于治疗淀粉样蛋白相关疾病潜在药物的开发应用。
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