Применение методов молекулярного моделирования для разработки новых лекарств (1104483)
Текст из файла
На правах рукописиКаткова Екатерина ВладимировнаПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ МОЛЕКУЛЯРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯРАЗРАБОТКИ НОВЫХ ЛЕКАРСТВСпециальность 03.01.02 – «Биофизика», 03.01.08 – «Биоинженерия»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 20142Работа выполнена на кафедре биофизики физического факультета Московскогогосударственного университета имени М.В. Ломоносова.Научныедоктор биологических наук, профессорруководители:Атауллаханов Фазоил Иноятовичдоктор физико-математических наукСулимов Владимир БорисовичОфициальныеоппоненты:Поройков Владимир Васильевич, доктор биологическихнаук, профессор, заведующий лабораторией Структурнофункционального конструирования лекарств, ФедеральноегосударственноебюджетноеучреждениеНаучноисследовательский институт биомедицинской химии имениВ.Н. Ореховича Российской академии наукМазо Михаил Абрамович, кандидат физико-математическихФедеральноенаук,старшийнаучныйсотрудник,государственное бюджетное учреждение науки Институтхимической физики им.
Н.Н. Семенова Российской академиинаукВедущаяорганизация:Федеральное государственное бюджетное учреждение наукиИнститут вычислительной математики Российской академиинаукЗащита состоится «18» сентября 2014 года в 15-30 на заседании диссертационногосовета Д501.002.11 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, д.1, стр. 2,физический факультет МГУ, аудитория 5-19.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственногоуниверситета имени М.В.ЛомоносоваАвтореферат разослан «» ____________ 2014 года.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.002.11,кандидат технических наукСидорова Алла Эдуардовна3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫДлярешениязадач,связанныхсрациональнойразработкойновыхлекарственных средств, в настоящее время все чаще прибегают к методаммолекулярногомоделирования,посколькувсестадииразработкиновоголекарственного вещества, как правило, требуют значительных финансовых затрат изанимают порядка 10 лет.
На первом этапе разработки нового лекарственногосоединения необходимо предсказать структуры молекул-ингибиторов, которыеобычно представляют собой низкомолекулярные органические соединений и которыеизбирательно связываются с активными центрами белков, обуславливающих болезнь,блокируя их активность. Для этих целей в настоящее время все чаще используютсяметоды рационального компьютерного in silico дизайна, которые позволяютуменьшить как временные, так и материальные затраты за счет сокращения числасоединений, которые необходимо синтезировать и экспериментально тестировать впроцессе разработки нового лекарства.В настоящее время существует множество методов для моделированиявзаимодействия лекарственных соединений с соответствующими мишенями ивычисления энергии связывания ингибитора и белка.
Сущность вычислительногоаспекта проблемы заключается в необходимости вычислять энергию взаимодействиялиганд-мишень с высокой точностью (1-2 ккал/моль или 0.05-0.1 эВ), и с высокойскоростью, позволяющей оперативно проводить расчеты, по крайней мере, десятковтысяч соединений.Одним из ключевых методов в данной работе является докинг – поискположения лиганда (молекулы-ингибитора или кандидата в ингибиторы) в активномцентре белка-мишени, соответствующего минимальному значению энергии системыбелок-лиганд. Преимущество докинга состоит в том, что, отличаясь от эмпирическихметодов QSAR достаточно высоким качеством прогнозирования, он также позволяетпроизводить расчеты нескольких тысяч соединений в день, что недоступно покаметодам молекулярной динамики.Однако наряду с повышением скорости вычислений для современных методовкомпьютерногомоделированиястоиттакжепроблемаповышенияточностивычислений. Для этих целей часто используются методы постпроцессинга, в которыхпроизводится более точная оценка энергий связывания для выбранных в результате4скрининга молекул.
Эти методы обычно включают в себя локальную оптимизациюмолекул (то есть поиск локального минимума в окрестности найденного глобальногоминимума), которая может происходить, например, с использованием силовых полей,а также более аккуратный учет составляющих свободной энергии связывания лигандаи белка (например, более аккуратный учет растворителя, энтропийного вклада и т.д.).На этом этапе также могут быть применены, например, более точные, иодновременно более ресурсоемкие, методы квантовой химии.В процессе работы были выбраны два белка: сериновая протеаза урокиназа(uPA) и серин/треониновая протеинкиназа PAK1.
Каждый из рассмотренных белковпредставлял интерес в качестве мишени для новых ингибиторов, способных вдальнейшемстатьосновойдлялекарственныхсредств,втомчислеипротивоопухолевых.Основное внимание в диссертационной работе уделено новой реализацииметодикидокингаипостпроцессинга,еётестированию,использованиюполуэмпирических квантово-химических методов для уточнения энергии связываниябелок-лиганд, а также применению этих методов для разработки новых ингибиторовурокиназыипротеинкиназыPAK1.Возможностьиспользованиявысокопроизводительных вычислений также рассмотрена в данной работе.
Во всехслучаях расчеты выполнялись на суперкомпьютерных ресурсах МГУ им. М.В.Ломоносова «Чебышев» и «Ломоносов».Цели и задачи работы.Целью работы является повышение эффективности рациональной разработкилекарств с помощью методов молекулярного моделирования (молекулярного докинга,методов локальной оптимизации (постпроцессинга) лиганда в силовом поле белка,методов квантовой химии).В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:1. Разработка и использование методов молекулярного моделирования длярешения задачи поиска новых ингибиторов урокиназы и протеинкиназы PAK1.2. Построение молекулярных моделей активных центров белков урокиназы иPAK1.3.
Исследование влияние параметров генетического алгоритма на качестводокинга (в рамках программы докинга SOL).54. Тестирование методов молекулярного моделирования применительно квыбранным белкам-мишеням.5. Сравнение различных методов расчета энергий связывания в силовых полях(докинг и постпроцессинг) и с помощью методов квантовой химии, а также оценкаэнергий сольватации, полученных разными методами.6. Поиск ингибиторов урокиназы и PAK1 в базах данных готовых соединений спомощью процедуры виртуального скрининга.7.
Дизайн новых структур ингибиторов урокиназы.Научная новизна результатов:1. Исследована возможность применения совокупности методов докинга иполуэмпирической квантовой химии (в рамках недавно разработанного метода PM7,реализованного в программе MOPAC и применяемого для поиска новых ингибитроввпервые)длярасчетовэнергийсвязываниябелок-лиганд.Такаяметодикадемонстрирует высокую эффективность при поиске новых ингибиторов.2.СрасположениепомощьюмолекулярногонекаталитическогомоделированиеактивногоцентравпервыеопределенопротеинкиназыPAK1,связывающего соединение BPIPP (5-(3-бромофенил)-5,11-дигидро-1,3-диметил-1Hиндено[2',1':5,6]пиридо[2,3-d]пиримидин-2,4,6(3H)-трион).3. Найдены новые ингибиторы белков урокиназы и протеинкиназы PAK1.Научная и практическая значимость данной работы заключается в том, чтонаосновеполученныхданныхвыдвинутыпредположенияоструктуренекаталитического активного центра белка PAK1, а также разработаны новыеингибиторы белков урокиназа и PAK1.
Для разработки новых ингибиторов былвпервыепримененполуэмпирическийквантово-химическийметодPM7изпрограммного комплекса MOPAC, в котором учтены как водородные связи, так идисперсионные межмолекулярные взаимодействия, что позволяет увеличить точностьрасчетов энергии связывания и эффективность разработок новых ингибиторов иновых лекарств на их основе.Результаты данной работы могут быть применены, в частности, дляпрогнозирования структур новых ингибиторов урокиназы, PAK1 и других белковмишеней, а уже найденные в данной работе соединений могут быть использованы для6проведения дальнейших доклинических и клинических испытаний с целью введенияновых лекарственных средств в клиническую практику.Положения, выносимые на защиту.1.
При найденных в работе оптимальныхпараметрах генетического алгоритма,качество позиционирования лигандов программой SOL достигает желаемоговысокого уровня: 70-80% лигандов после докинга имеют среднеквадратичноеотклонение от нативного положения менее 3 Å.2. Программа докинга SOL и программа постпроцессинга DISCORE показываютвысокое качество предсказания ингибирующей активности лигандов, не уступающеемногим зарубежным аналогам по результатам международного конкурса CSAR.3. Применение полуэмпирического метода PM7 из программного пакета MOPACпродемонстрировалосвязыванияхорошиебелкаирезультатылиганда,идлязадачпоказываетрасчеталучшуюэнтальпиикорреляциюсэкспериментом, нежели аналогичные расчеты в силовом поле MMFF94.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
