影响UGT1A底物选择性与催化效率的机理研究

UGT1As are isoenzymes highly expressed in human metabolic organs including liver, intestine and kidney. The glucuronidation reactions mediated by UGT1As play major role in metabolism of many xenobiotics and endogenous compounds. Disclosure the mechanism related to substrate selectivity and the catalytic efficacy of UGT1As are crucial important for improving oral drug bioavailability, drug metabolic stability and helping maintenance the metabolic balance on endogenous substances, as well as avoiding UGT1A-related drug-drug interactions. This project will construct a phenolic substrate bank of UGT1As and carry out enzyme modification by creating a series of UGT1A mutants. Based on our previous work with UGT1As, the comparison studies between UGT1A isoforms and its mutants towards a given substrate; and a same isoform catalyze a series of substrates with similar skeleton or structure will be conducted. The project will explore the mechanism of the substrate specificity and efficacy of UGT1As from both enzyme and substrate by using qualitative and quantitative methods. In addition, computational biology tools including homology modeling, molecular docking and molecular dynamic calculation will be employed to discovery the enzyme binding sites and key amino acid residues on UGT1A isoforms, ultimately disclosure the different catalytic behaviors from both small molecule and macro-molecule approaches.

UGT1A在人肝脏、肠道及肾脏等药物代谢器官中高表达，并介导了大量药物、非药外源物及内源物的葡萄糖醛酸化代谢。揭示UGT1A各亚型的底物结构特征及影响其底物选择性和催化效率的深层次机制对于提高候选药物的代谢稳定性、维系内源性代谢平衡以及避免UGT1A引发的药药相互作用具有重大指导意义。本项目拟通过对UGT1A的理性修饰及酚类化合物的系列衍生分别构建多种UGT1A突变体及结构多样的酚类底物库，同时结合前期工作基础系统开展UGT1A多亚型及其突变体催化不同底物的比较研究，着重从定性和定量两方面剖析氨基酸残基上的修饰及底物结构上的改变对UGT1A底物选择性和催化效率的影响。在此基础上，本项目还将借助同源模建、分子对接及分子动力学等计算生物学手段从三维构象上揭示UGT1A各亚型识别和催化小分子底物的关键位点/结构域，最终从小分子和大分子双层面揭示导致UGT1A差异性催化的主要影响因素及深层次机制。

葡萄糖醛酸转移酶（UGTs）是人体最重要的结合代谢酶，其介导了大量临床用药物、非药外源物及内源性物质的代谢。揭示人体主要UGT酶的底物结构特征以及影响其催化效率的深层次机制不仅对提高药物的口服生物利用度及代谢稳定性具有重大指导意义，同时也可为科学阐明UGT1A相关疾病及药药相互作用的发生机制提供理论依据。本项目以揭示人体重要UGT1A酶的底物结构特征以及影响其催化效率的关键因素为主要研究目的，系统开展了黄酮类、香豆素类及萘酰亚胺类三大系列化合物的结构-UGT1A代谢选择性、底物结构-UGT1A催化效率等关系的研究。研究发现1）底物引入酸性基团后可提高UGT1A1的代谢选择性，UGT1A8则更偏好芳香环取代的具有多环平面结构的底物。2）黄酮多酚类化合物极易被多种UGT酶催化，但5-OH难以被UGT1A催化，其主要原因是该羟基可与黄酮B环的羰基形成分子内氢键。此外，UGT1A1对黄酮的4’-OH的葡萄糖醛酸化有较高的位置选择性。3）在6,7-二羟基及7,8-二羟基香豆素易代谢位点（7-OH）的邻位引入氢键受体使之形成分子内氢键则可显著提高其UGT代谢稳定性，在香豆素多酚类化合物的C-4为引入乙酸等酸性取代基团或-NH2等碱性取代基团后，该类化合物的极性大幅提升后也难以被UGT酶代谢。上述规律还被用于指导通过结构改造获得代谢稳定性更好的先导化合物，以及设计研发高特异性的UGT1A探针底物。此外，项目承担团队还构建了UGT1A酶重组表达及突变技术，制备了多种UGT1A突变体并从大分子-小分子相互作用层面开展了UGT1A1配体结合位点的探索性研究，以及UGT1A1关键氨基酸突变后催化行为的改变。研究发现UGT1A1至少有两个配体结合位点，而其底物结合区的碱性氨基酸在底物结合和催化过程中发挥了重要作用。上述研究揭示了影响黄酮类、香豆素类及萘酰亚胺类化合物UGT代谢的关键影响因素，尤其是结构修饰对其主要代谢酶、代谢速率的影响规律；还从定性和定量两方面细致剖析了UGT酶底物结合区关键氨基酸改变及底物结构修饰对UGT1A底物选择性和催化效率的影响。上述工作为酚类药物的代谢稳定性优化以及UGT1A探针底物的设计研发奠定了扎实的工作基础和理论依据。