药靶互作、先导发现及其在农医药领域的双向开发

一、肌球蛋白的变构机制与靶向药物设计

肌球蛋白是一类高度保守的蛋白，是细胞骨架的重要组成部分。肥厚型心肌病（hypertrophic cardiomyopathy，HCM）是一种常见的遗传性心脏病，临床表现为左心室明显肥厚。目前，全球HCM患者约有2000万人，其中中国成人HCM患者人数可能已超100万。该病不仅严重影响患者的预后和生活质量，也带来了沉重的疾病和经济负担。靶向心肌肌球蛋白的药物，Mavacamten是一种小分子心肌肌球蛋白变构抑制剂，于2022年上市用于治疗HCM。Aficamten（CK-274/CK-3773274）是另一种新型选择性小分子心肌肌球蛋白抑制剂，目前正在开展临床试验。此外，肌球蛋白属于世界上发现的首个第三类安全性极高的杀菌剂选择性新靶标——马达蛋白。该靶标的发现不仅有助于开发安全性更好、毒性更低的新农药，而且对于安全性高的医药研发也具有重要价值。

1. 前期我们联合计算模拟和实验技术深入探究了靶向镰刀菌肌球蛋白-5的杀菌剂氰烯菌酯对myosin-5的变构抑制机理。研究结果显示，氰烯菌酯在变构位点的结合不仅抑制了ATP水解，同时也会削弱myosin与actin的互作。我们的研究结果不仅对靶向myosin的杀菌剂研发具有理论参考价值，也有助于靶向myosin的HCM药物研发。该论文发表在农学一区杂志Pest Management Science, 论文第一作者是博士生包义琼与硕士生徐彦，通讯作者是郭晶晶教授与南京农业大学植保学院的张峰教授。Bao, Y#; Xu, Y#; Jia, F; Li, M; Xu, R; Zhang, F*; Guo, J*. Allosteric inhibition of myosin by phenamacril: a synergistic mechanism revealed by computational and experimental approaches. Pest Manag Sci 2023.  http://dx.doi.org/10.1002/ps.7699
2. 靶向肌球蛋白的杀菌剂药物筛选与设计工作正在进行中，已发现多个先导化合物，正在开展进一步的先导化合物优化与生物活性评价工作。

二、靶向PBP2a的抗MRSA感染小分子药物设计

抗生素的使用已有100多年历史，它们的使用大大延长了人类寿命。然而，近年来抗生素的不恰当使用导致多种致病菌耐药性大幅度增加，甚至出现多重耐药的情况。其中，耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）已成为医院感染中最常见的致病菌之一。MRSA通常表现为多重耐药，对甲氧西林和所有beta-内酰胺类耐药，可选择药物十分有限。PBP2a蛋白是MRSA产生耐药的主要原因，因此我们靶向该蛋白开展了抗MRSA多重耐药的新型抗生素设计与发现研究。

1. 基于分子模拟深入探究PBP2a的变构调控分子机制。
2. 小分子药物设计：

1）联合用药策略：设计变构抑制剂，与beta内酰胺类抗生素联合用药；

2）双位点策略：即抑制剂先结合在变构位点，远程调控活性口袋的打开，然后第二个分子与活性位点结合。

地球上的生命经历了40亿年的自然演化，孕育了许多复杂而功能丰富的酶分子。然而，天然酶在稳定性、耐受性和选择性等方面无法完全满足工业生产的需求。为了解决这个问题，人类开始探索高效的蛋白质改造方法。我们致力于开发高效的酶工程方法，其中包括基于结构的理性设计技术和机器学习算法。我们的目标是通过这些方法改造酶分子，使其在工业生产中表现出更高的效率和适应性。通过相关研究，我们希望推动酶工程领域的发展，为工业生产和生物技术提供更高效、创新的解决方案。

目前在研课题：

1. 利用分子模拟探索活性位点附近或远端突变影响酶功能的分子机制
2. 构建基于机器学习的蛋白质二硫键预测模型,指导蛋白工程提高热稳定性
3. 通过深度学习模型对辅酶的选择性进行预测，并对相关酶改造提供解决方案

变构是蛋白调控功能的重要策略之一。由于变构效应位点距离活性位点或功能位点较远，其对蛋白的远程调控机制往往较为复杂，且难以通过实验技术阐明具体的分子内信号传导机制。变构药物设计目前也是药物开发的热点之一。通过计算生物学的技术和方法，我们探索了多个蛋白体系的变构调控机理，包括Pin1, cGAS, EGFR, PTH1R等，相关机理的阐释可为进一步的药物开发提供理论指导。

•  J Chem Inf Model, 2022, 62, 5110−5119.
•  ACS Chem Neurosci, 2021, 12, 462.
•  Phys Chem Chem Phys, 2021, 23, 2154.
•  J Mol Biol, 2019, 431, 3690.
•  Chem Rev, 2016, 116, 6503.
•  Elife, 2016, 5, e18249.
•  Structure, 2015, 23, 237.
•  Biophys J, 2015, 108, 2771.

下面以B类GPCR中的PTH1R为例，具体阐述：

G蛋白偶联受体(GPCR)是细胞表面膜蛋白的一个大的超家族，它们介导细胞信号转导并调节生理和病理过程的多个方面，因此成为一类关键的药物靶点。作为本质上的变构蛋白，GPCR的许多功能都是通过变构调节的，即在变构位点结合的变构调节剂调控正构位点的构象与功能。然而由于GPCR的结构特征，目前只有少数GPCR变构配体被批准作为药物。目前，计算生物学的快速发展揭示GPCR变构配体的调控机制，这对于发现新的治疗药物至关重要。

课题组对B类GPCR的变构调控机理方面，开展了一系列的研究工作，并对计算生物学方法在GPCR的变构调控方面的应用进行了系统综述。

相关报道：澳门理工大学郭晶晶课题组Curr Med Chem综述论文：GPCR变构调控与计算生物学

相关论文：

[1] Li M, Bao Y, Li M, Guo J. GPCR Allostery: a View from Computational Biology. Curr Med Chem.2023, 30: 4533−4553.   http://dx.doi.org/10.2174/0929867330666230113125246

[2] Li M, Li M, Guo J. Molecular Mechanism of Ca²⁺ in the Allosteric Regulation of Human Parathyroid Hormone Receptor-1. J Chem Inf Model. 2022, 62(21), 5110−5119. http://dx.doi.org/10.1021/acs.jcim.1c00471

[3]   Li M, Bao Y, Xu R, La H, Guo J. Critical Extracellular Ca²⁺ Dependence of the Binding between PTH1R and a G-Protein Peptide Revealed by MD Simulations. ACS Chem Neurosci. 2022, 13(11): 1666−1674. http://dx.doi.org/10.1021/acschemneuro.2c00176

[4] Li, M.; Bao, Y.; Xu, R.; Li, M.; Xi, L.; Guo, J. Understanding the Allosteric Modulation of PTH1R by a Negative Allosteric Modulator. Cells. 2023, 12(1): 41. http://dx.doi.org/10.3390/cells12010041