[发明专利]以GLUT1为靶点的计算机药物筛选方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属于高通量虚拟筛选领域，计算机辅助药物设计范畴，特别涉及一种多精度计算机药物筛选方法及其在筛选有生物活性的先导化合物上的应用。

技术背景

新药的研究有三个决定阶段：先导化合物的发现，新药物的优化研究，临床与开发研究。计算机辅助药物设计的主要任务就是先导化合物的发现与优化。合理药物设计(rational drug design)是依据与药物作用的靶点，即广义上的受体，如酶、受体、离子通道、病毒、核酸、多糖等，寻找和设计合理的药物分子。通过对药物和受体的结构在分子水平甚至电子水平的全面准确了解进行基于结构的药物设计和通过对靶点的结构、功能、与药物作用方式及产生生理活性的机理的药物设计。CADD通过内源性物质或外源性小分子作为效应子作用于机体的靶点，考察其形状互补，性质互补(包括氢键、疏水性、静电等)，溶剂效应及运动协调性等进行分子设计。

葡萄糖(D-glucose)是地球上包括从细菌到人类各种生物已知最重要、最基本的能量来源，也是人脑和神经系统最主要的供能物质；据估算，大脑平均每天消耗约120克葡萄糖，占人体葡萄糖总消耗量的一半以上。葡萄糖代谢的第一步就是进入细胞：亲水的葡萄糖不能自由穿透疏水的细胞膜，其进出细胞需要通过镶嵌于细胞膜上的葡萄糖转运蛋白完成。其中一类属于主要协同转运蛋白超家族(Major Facilitator Superfamily，简称MFS)的转运蛋白是大脑、神经系统、肌肉、红细胞等组织器官中最重要的葡萄糖转运蛋白(glucose transporters，简称GLUTs)。在人体的14个GLUTs中，GLUT1、2、3、4这四种蛋白生理功能最重要，研究最广泛，其中GLUT1因发现最早而得名。

GLUT1几乎存在于人体每一个细胞中，是红细胞和血脑屏障等上皮细胞的主要葡萄糖转运蛋白，对于维持血糖浓度的稳定和大脑供能起关键作用。在已知的人类遗传疾病中，导致GLUT1功能异常的突变会影响葡萄糖的正常吸收，导致大脑萎缩、智力低下、发育迟缓、癫痫等一系列疾病(GLUT1 Deficiency syndrome，又称De Vivo syndrome)。另一方面，当发生癌变时，葡萄糖是肿瘤细胞最主要的能量来源，但是肿瘤细胞由于缺乏氧气供应而只能对葡萄糖进行无氧代谢，同质量葡萄糖所提供的能量不到正常细胞的10％，因而对葡萄糖的需求剧增(这是被称为Warburg Effect的肿瘤细胞代谢现象)，在很多种类的肿瘤细胞中都观察到GLUT1的超量表达，以大量摄入葡萄糖维持肿瘤细胞的生长扩增，这使得GLUT1的表达量可能作为检测癌变的一个指标，抑制GLUT1活性的抑制剂的开发也是成为治疗癌症的重要方法之一。

葡萄糖跨膜转运的研究历史基本上代表了人类理解物质跨膜运输的历史。将近100年前，就观测到红细胞对葡萄糖的饱和性吸收；起初认为葡萄糖是通过自由跨膜扩散进入细胞的，随着实验证据的积累，1948年，LeFevre等首次提出葡萄糖的进入红细胞的跨膜扩散需要细胞膜上的特定组分(蛋白质)参与；1952 年，Widdas等通过对人体红细胞转运葡萄糖的动力学研究提出了饱和运载体机制(saturable carrier mechanism)，理论上揭示了细胞膜上运载体(carrier)的存在(尽管之后的研究并不再支持这转运模型，但至今许多跨膜转运蛋白仍然以carrier命名，转运蛋白家族以SLC分类)；1977年，Kasahara和Hinkle从人体红细胞提纯分离出了参与葡萄糖转运的膜蛋白，并实现了脂质体重构功能实验，证实了葡萄糖转运蛋白的存在；1985年，Harvey Lodish实验室首次鉴定出了人体GLUT1蛋白的基因序列，并根据氨基酸序列预测了其具有12次跨膜区的拓扑结构；1991年，De Vivo等首次报道了与GLUT1突变体相关的疾病症状，并将这一大类与GLUT1突变相关的疾病命名为De Vivo综合症，展示了GLUT1与人类健康的紧密关联。