药物设计-抑制耐甲氧西林金黄色葡萄球菌MRSA中肽聚糖生物合成的抗生素研究

时间:2015-04-27

同源建模(Homology Modeling方法在众多蛋白结构预测方法当中使用最为广泛且准确性较高。只要给出目标序列与模板蛋白,利用工业标准的快速同源建模方法,便可自动并快速产生优化的蛋白同源模型, 从而极大的方便广大生物大分子研究者及药物研发人员快速了解蛋白结构。Discovery Studio中的MODELER模块是经典的同源建模工具,可以自动完成球蛋白、跨膜蛋白和抗体分子的模建,此外还可以模拟蛋白突变。

分子动力学模拟(Molecular Dynamics Simulation是从经典力学出发,把系统看成为微观粒子的集合,通过研究微观状态下的粒子在不同系综的运动方程,计算体系的构型积分,并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量,从而得到体系的宏观特征和基本运动规律。分子动力学模拟可以动态的描述生物大分子和小分子在不同的环境及状态下的构象变化。基于分子动力学模拟技术,科研人员可以准确的预测和优化生物大分子和小分子的三维结构,研究受体-配体相互作用机理,pH值、温度和氨基酸点突变对蛋白结构的影响等等,从而为已有实验现象提供机理的解释,或者为后期的实验设计提供指导。在Discovery Studio这一分子模拟的综合平台中,具有基于CHARMm的分子动力学模拟引擎及相应的一些列CHARMm力场,可以研究蛋白质、核酸、多糖、多肽、小分子以及相应的复合物。
 

ref:J. Am. Chem. Soc., 2015, 137 (1), pp 267–275.  IF=11.444

链接:http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja510375f
 

      抗菌素耐药性的快速增长是一个全球公共卫生的危机。在革兰氏阳性耐药细菌当中,耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)是医院和社区获得性细菌感染的主要病原体,可以导致多种人体和动物疾病,如肺炎、乳腺炎、骨髓炎、心内膜炎、皮肤感染、脓肿、食物中毒、中毒性休克综合征和败血症等。因此,在后抗生素时代,研发出一种新的抗生素用以对抗MRSA是极其重要的。革兰氏阳性和阴性细菌都包裹着一层细胞壁,是维持细菌生存所必需的基本结构之一,可以保护细胞避免由细胞渗透压所造成的破坏,而肽聚糖(PG)是构成细胞壁的主要成分之一(图一)。扰乱PG的生物合成是一种既定的产生抗菌素的方法。UDP-N-乙酰葡萄糖胺烯醇式丙酮酸转移酶(MurA)是肽聚糖合成过程中的关键酶(图一),是研发抗生素的关键靶标。磷霉素是目前唯一临床使用的靶向MurA的抗生素,但对于MurA关键催化位点Cys突变为Asp的MRSA却无效。本文报道了四种从费希新萨托菌中分离纯化出的燕麦曲菌素衍生物(1-4),其中有三种化合物都具有MRSA抗菌活性,经分析验证,MurA就是该化合物的靶标,并且化合物2不仅对野生型MRSA MurA而且对MurAC119D(耐磷霉素突变体)都具有史无前例的抑制活性,为发现新的靶向MurA抗生素奠定基础。此外,文章还基于Discovery Studio分子模拟平台,采用DS MODELER同源建模技术和DS CHARMm分子动力学技术,以及手动对接技术,构建了MurA-2复合物结构模型,从分子水平上解释了化合物2能够抑制MRSA MurA的分子作用机制(图二),揭示了化合物2可以竞争性的扰乱MurA中四面体中间体(THI)的形成。

 

图一. 细胞壁主要成分之一的肽聚糖生物合成过程中MurA参与的反应示意图。

 

图二.  MRSA MurA同化合物2的复合物模型及其与MurA-THI、MurA-Pi的叠合。(a)MurAWT-2(粉色)及MurAC119D-2(兰色)复合物的叠合,氢键以虚线示意;(b)MurAWT-2复合物结构以表面进行表征,化合物2伸入MurA的疏水口袋;(c)MurA-THI(兰色)及MurA-2(粉色)复合物的叠合;(d)MurAWT-2(粉色)及MurA-Pi(兰色)复合物的叠合;(e)MurA的抑制机制。

 

 

为什么选择Discovery Studio
1. Discovery Studio提供一整套同源建模的工具,使用DS,可以轻松完成所有的同源建模过程,包括模板识别、序列比对、自动建模、模型的评估与优化;
2. Discovery Studio中同源建模工具可以预测多种类型生物大分子的结构,包括:球蛋白、抗体、跨膜蛋白等;
3. Discovery Studio中同源建模的核心程序是MODELER,该算法非常经典,目前已发表成百上千的学术文章,学术结果遍布各类杂志,引用率极高;
4. Discovery Studio中分子动力学模拟采用的是经典而强大的CHARMm计算引擎及CHARMm系列力场;
5. Discovery Studio中分子动力学模拟结果可以进行完整便捷的模拟轨迹分析;
6. Discovery Studio中分子动力学模拟可研究对象丰富不单一,如蛋白质、核酸、多糖、多肽、药物小分子以及相应的复合物的模拟;
7. Discovery Studio中分子动力学模拟涵盖领域广泛,如生命、材料等学科。
8. Discovery Studio应用广泛,操作简便,图形化界面十分友好,结果易于分析。