基于蛋白质-蛋白质相互作用机制的抗老年痴呆药物分子设计

随着世界人口老龄化，神经退行性疾病老年痴呆症发病率急剧上升，严重危及老年人的健康，对社会和经济造成巨大的影响。因此，针对其致病机理的研究以及寻找有效的治疗药物有着重要的医学和社会意义。beta-分泌酶(BACE1）是切割淀粉样前体蛋白产生淀粉样多肽(导致老年痴呆症的"罪魁祸首")的水解酶之一，是目前预防和治疗该疾病的重要药物靶标。最近的研究表明，细胞凋亡因子PAR-4 (prostate apoptosis response-4)与BACE1的直接相互作用可以促进BACE1水解活性增加，导致淀粉样多肽过量产生和聚集；而抑制PAR-4的表达水平则效果正好相反。本课题将测定BACE1与PAR-4相互作用结构域复合物三维结构，研究PAR-4促进BACE1水解活性增加的具体作用机制，并设计阻止PAR-4与BACE1相互作用的抑制剂，从新的途径寻找治疗老年痴呆症药物先导化合物。

随着世界人口老龄化，神经退行性疾病阿尔茨海默症（AD）发病率急剧上升，严重危及老年人的健康，对社会和经济造成巨大的影响。因此，针对其致病机理的研究以及寻找有效的治疗药物有着重要的医学和社会意义。本项目主要研究内容及目标是基于蛋白-蛋白相互作用机制研究，开展抑制剂的设计与发现，从而为AD治疗药物研发提供活性化合物或先导化合物。项目主要研究对象为AD疾病机制研究和药物研发中的重要靶标β-分泌酶（BACE1），它与gamma-分泌酶先后切割淀粉样前体蛋白从而产生导致AD的“罪魁祸首”——淀粉样多肽（Aβ）。抑制BACE1的水解活性可以减少Aβ的产生，从而减缓AD的疾病进程，因此，BACE1是预防和治疗AD的重要靶标。前列腺凋亡反应蛋白-4（PAR4）最早在前列腺癌细胞中发现并被确认为促细胞凋亡因子。文献报道PAR4的C端结构域与BACE1的C端胞内区相互作用可以增加BACE1的活性，从而导致Aβ的过量产生和聚集。因此，项目原有研究计划是通过解析BACE1与PAR4相互作用的复合物结构，设计阻止两个蛋白相互作用的抑制剂，从而为AD药物研发提供先导化合物。但是在执行过程中，尝试了多种表达载体与表达系统以及多种生物物理实验技术与方法，无法获得BACE1与PAR4结合的复合物及其结构。因此，我们调整研究内容，主要针对BACE1胞外的催化结构域开展基于结构的抑制剂设计与优化，从而实现为AD药物研发提供活性和先导化合物的研究目标。为此，我们建立了快速、廉价、高通量的BACE1抑制剂筛选新方法即基于荧光的热漂移检测方法，筛选了大量的化合物；建立基于结构的BACE1抑制剂设计与优化平台，解析了30个BACE1与小分子抑制剂复合物晶体结构；最终获得了半抑制浓度为1~0.01微摩尔级的小分子及类肽抑制剂25个，并获得了BACE1和Aβ双重抑制剂。此外，我们系统研究并阐明了BACE1底物结合口袋的柔性及其对抑制剂设计的重要性；通过复合物晶体结构解析阐明了海洋活性多肽与BACE1的作用模式及其构效关系；开展基于分子片段的BACE1抑制剂设计与优化，最后获得的抑制剂比最早的片段活性提高1000多倍，并发现抑制剂结合的新位点等。受该项目的资助，执行过程中共发表致SCI论文11篇，培养研究生4名，项目负责人先后获得了上海市科委的“浦江人才”计划和国家自然科学基金委的优秀青年基金项目的资助。