基于Pf-NDH2靶点蛋白三维结构的新型抗疟疾药物研究

Drug-resistant pathogens are continually emerging and pose a great challenge to global health. The mitochondrial enzyme type II NADH of the Plasmodium parasites is a potential drug target. Although several compounds had been reported to target NDH2 with encouraging activity against P. falciparum, a few critical challenges remain for developing drugs targeting NDH2. For example, 1) the details of the molecular mechanism of PfNDH2 inhibition remains unknown because of the absence of cocrystal of NDH2 with inhibitors. 2) currently known quinolone-type inhibitors suffers poor solubility due to strong π-π interaction, which demands the necessity of improving the drug-properity. 3) Off-target effect from potential bc1 binding should be excluded. We have designed and synthesized a previleged structure based small molecule library. Through a preliminary screening, a few potent leads can be identified. More importantly, two cocrystal structures of NDH-2 protein with leads had been determined, which pave the way for further structure-based drug design and molecular mechanism elucidation.

疟疾是由疟原虫引起的威胁人类生命健康的重大疾病，治疗疟疾的医疗花费成为非洲发展中国家极大的经济负担；近年由于日益出现的耐药性，传统治疗药物如氯喹、青蒿素的失效，可能会造成极为严重的公共卫生后果。恶性疟原虫的Pf-NDH2是疟原虫氧化呼吸链上的重要功能酶，针对该酶开发高效特异的抑制剂，能够有效杀灭疟原虫，这是本项目的研究目的。目前针对Pf-NDH2及其有效抑制剂的研究少有报道，Pf-NDH2的x-ray晶体结构尚无报道，本实验室在初期研究过程中联合清华大学结构生物学中心在世界上首次得到了Pf-NDH2的高分辨率蛋白抑制剂复合物晶体结构。本项目将在此基础上，结合生物化学与分子生物学手段对蛋白-抑制剂作用模式开始更加详细的研究，并进一步重点进行基于受体结构的抑制剂设计，并逐步开展细胞水平与动物水平的生物评价实验。在阐明分子机制的基础上，结合细胞和动物的实验数据进一步提高先导化合物的成药性质。

目前疟疾在全世界范围内每年仍造成43万人的死亡和212万新增病例。历史上针对传统抗疟疾药物的耐药虫株不断出现；研究人员2008年在湄公河流域一些国家（柬埔寨、越南、缅甸等）就发现了对抗疟疾特效药青蒿素耐药的虫株，并且近些时间来有扩散趋势。因此，新的抗疟疾药物和抗疟疾机制是当前重要的研究内容。PfNDH2是已知的抗疟疾靶点，但是由于其与抑制剂的作用机制并不清楚，导致经典的基于结构的药物设计缺乏有效信息，再加之现有抑制剂极差的类药性质，针对PfNDH2进行深入的抗疟疾药物研发存在较大困难。现有抑制剂溶解度极差，还导致其几乎不可能与靶蛋白共结晶，研究人员首先对已报道的化合物进行了大量的亲水性化学修饰发现了活性更好的化合物RYL-552和RYL-552S，并进一步总结了构效关系。阐明机制的过程中，RYL-552作为理想的工具分子可以与靶蛋白共结晶，并得到了高分辨率的晶体结构。大量生物化学、生物物理学、分子生物学、药物化学构效关系研究等信息都表明RYL-552通过别构调节对PfNDH2产生抑制作用。研究工作发现RYL-552和RYL-552S对多种耐药的疟原虫株都具有很好的抑制作用，且对人体细胞毒性较低；动物实验亦具有很好的治愈效果且与青蒿素有协同抗疟疾作用，因此具有与青蒿素联合用药发展新的疟疾治疗方法的潜能。该工作为基于PfNDH2进行抗疟疾药物研发提供了重要信息。