基于药代酶P450结构的代谢抑制预测研究

Cytochromes P450 (P450s) are the major drug-metabolizing enzymes in humans. They can metabolize about 75% of drugs in clinic uses. P450 inhibition is one of the main factors that cause in vivo drug-drug interactions. Therefore, it is crucial to evaluate in vitro P450 inhibition for drugs or drug candidates as early as possible. Because the experimental assays have several limits such as high experimental resource demands, low efficiency and high costs, the evaluation of P450 inhibition using the in silico methods have attracted much attention in recent years. However, at present there is much room to improve for the in silico methods on their accuracy, efficiency, and applications. In this study, on the basis of our previous research work, we will systematically evaluate the influence of structural flexibility of P450s on the prediction of P450 inhibition, and predict and identify the new P450 inhibitors based on the peripheral site by using the structure-based approach. Further, we will extend the in silico methods to the inhibition prediction for the minor P450 isoforms such as P450 4F2. The implement of our research proposals will have significance both for improving the accuracy and efficiency of the prediction of P450 inhibition and for instructing the drug safety in the clinic.

细胞色素P450（P450）是人体内的主要代谢酶，负责临床上市约75%的药物代谢。药物在体内特异性抑制P450的活性是导致临床药物相互作用的主要原因之一，因而在体外尽早评价药物及药物候选物对P450的抑制作用至关重要。由于实验方法受资源、效率和花费上的限制，利用计算模拟方法预测化合物对P450的抑制引起了广泛的研究兴趣。但目前计算模拟方法用于P450抑制预测在准确度、效率以及应用范围上还有待提高和拓展。 本项目拟在我们前期对P450研究的基础上，利用基于结构的计算模拟方法系统评价P450柔性对抑制剂预测的影响，基于别构调节位点预测表征新的P450抑制剂，并将计算模拟方法扩展到非重点P450亚型的抑制剂预测。本项目的实施对提高P450抑制剂的预测准确率和效率以及指导临床用药安全都具有积极意义。

P450酶是人体内负责药物代谢的主要代谢酶，因此快速高效地评价P450酶介导的药物代谢性质对于提高药物研发的成功率、节约研发成本以及避免临床药物相互作用有重要意义。近年来P450酶结构生物学的快速发展，为基于结构的计算模拟方法快速预测P450酶与配体的相互作用提供了良好基础。. 本项目基于CYP3A4酶的复合物晶体结构，综合运用分子对接、分子动力学模拟、MM-GBSA等方法揭示了CYP3A4别构位点配体的构象动力学机制。在此基础上，运用虚拟筛选技术结合酶学和肝微粒体实验，首次报道了基于别构位点发现得到3个高活性的CYP3A4别构抑制剂，其中一个化合物的IC50值为61.8 nM。运用分子动力学模拟和结构增强取样技术，系统分析了CYP2C19和CYP2A6的结构柔性和活性位点水分子对抑制剂结合、抑制剂分类以及底物代谢位点的影响。我们发现P450酶活性位点残基柔性对抑制剂的结合模式和提高代谢预测准确率非常重要，而活性位点水分子对预测准确度的影响具有系统和方法依赖性。运用常规分子动力学和增强取样动力学方法预测了CYP19A1和CYP2A13与抑制剂的作用模式，并阐明了这两个酶的抑制选择性机理。运用同源模建、分子动力学、分子对接和量子化学方法构建并优化了CYP4F2酶的三维结构模型，详细分析了酶与配体的催化代谢机制，基于构建的模型筛选得到了多个潜在的CYP4F2抑制剂。此外，我们还采用同源模建方法和分子对接方法构建了恒河猴的CYP2D6和CYP3A64的三维结构模型，并预测了甲基苯丙胺在恒河猴及人体内的代谢差异性；利用分子对接方法详细研究了乙醇对CYP3A4酶介导的4个代表性HIV药物的代谢行为的影响。. 本项目在资助期内共发表标注基金批准号的SCI论文12篇。参加了7次国内学术会议，发表会议论文4篇。培养研究生5名。另外，还积极开展了与国外P450酶研究领域知名教授课题组的合作研究，合作发表SCI论文3篇。项目的研究结果为有效提高基于P450结构的代谢预测准确度提供指导了方法策略，为发现P450酶新型抑制剂提供了新思路，同时也为开展进一步国际合作奠定了良好基础。