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早年毕业于南京大学的蒋华良教授现任中国科学院上海药物研究所副所长、所学术委员会副主任、药物发现与设计中心主任,他是国家杰出青年基金获得者,科技部 973 计划首席科学家,科技部 863 计划“生物和医药技术领域”专家组成员。
生物通报道:早年毕业于南京大学的蒋华良教授现任中国科学院上海药物研究所副所长、所学术委员会副主任、药物发现与设计中心主任,他是国家杰出青年基金获得者,科技部 973 计划首席科学家,科技部 863 计划“生物和医药技术领域”专家组成员,科技部中长期规划重大基础研究项目“蛋白质科学研究”专家组成员,国家自然科学基金委重大研究计划“基于化学小分子探针的信号转导过程研究”专家组成员,他也是今年中科院候选院士之一。其研究小组在09年获得了多项成果:
葡萄糖激酶催化机制研究
7月20日,中国科学院上海药物研究所蒋华良课题组在《科学公共图书馆•综合(PLoS ONE)》上发表了关于葡萄糖激酶催化机制研究的论文(PLoS ONE, 2009, 7: e6304),阐述了葡萄糖激酶(Glucokinase, GK)催化过程的分子机理。
葡萄糖激酶是调节人体血液中葡萄糖水平的重要酶,主要作用是监控血中的葡萄糖水平。临床上,由于葡萄糖激酶过度激活或者失活,导致血液中葡萄糖水平过低或过高,继而引发2型糖尿病和高血糖症病变。因此,以葡萄糖激酶为靶标的抗糖尿病研发引起了各界的广泛关注。对于葡萄糖激酶临床突变研究和以葡萄糖激酶为靶标的药物开发来说,靶标自身功能机制的阐述是亟需解决的重要问题之一。由于葡萄糖激酶催化葡萄糖磷酸化时需要大规模的构象变化,现有的实验方法还不能有效地检测这些变化,同时葡萄糖激酶-ATP-葡萄糖三元复合物晶体结构很难测定。在葡萄糖激酶変构机制研究的基础上(PNAS 2006, 103, 13368-13373),蒋华良研究员带领研究生张健等综合利用计算生物学和分子生物学方法,对葡萄糖催化的机制进行了深入系统的研究。采用分子模拟和分子动力学方法在构建了葡萄糖激酶-ATP-葡萄糖三元复合物的三维结构,获得了精确的葡萄糖激酶的催化反应环境,发现了与葡萄糖激酶催化活性密切相关的一系列重要残基,其中Lys169残基在底物ATP和葡萄糖的结合中发挥决定性作用,首次合理地解释了临床上常见的K169N缺陷型葡萄糖激酶突变体的分子机理。与沈旭研究员课题组合作,用分子生物学实验和酶动力学学分析方法验证了理论计算结果(这部分工作主要由黎陈静完成)。继而,博士后石婷应用量子力学/分子力学(QM/MM)相结合的方法,在原子水平上研究了葡萄糖激酶的催化机制,发现Lys169在扮演酸催化剂的作用。该研究为进一步开展临床上缺陷型葡萄糖激酶突变体的治疗以及设计抗糖尿病药物提供了重要信息,也是上海药物所药物发现与设计中心用理论计算与实验相结合的方法研究生物学问题的又一成功案例。
该研究项目得到了国家科技部、基金委、上海市科委和中科院的资助。相关论文的pdf文件可以从下列网址获取。http://www.plosone.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pone.0006304(药物所)
1型酸敏感离子通道(ASIC1)门控机制的分子动力学基础。
膜受体离子通道是细胞内外信号传导最直接和最有效的途径,这些信号分子蛋白参与了广泛的生物学功能,诸如学习记忆、疼痛感受、情绪调节、肌肉收缩等。此外,体内受体离子通道结构与功能的改变会导致诸多疾病的发生。因此,以离子通道为靶标的生物医药研发引起了各界的广泛关注。对于阐明离子通道生物学功能和以离子通道为靶标的生物医药研究来说,通道的变构激活(门控)机制的阐述是最核心的内容。然而,充分阐明离子通道门控机制具有技术上的挑战性,因为离子通道在门控的过程中一般都会发生较大的构象变化,而目前已有的研究方法并不能有效地检测这些变化。蒋华良课题组与徐天乐课题组的合作研究为解决这一难题提供了一个成功的范例。相关研究的发现还为进一步研究ASIC1的功能以及指导设计基于该离子通道的临床药物提供了重要基础。
ASIC1是胞外组织酸化最敏感的受体,并可作为神经系统相关疾病的潜在药物靶标。蒋华良课题组博士后阳怀宇采用计算生物学的方法在原子尺度模拟了ASIC1的动力学行为,发现了ASIC1结构域、子结构域之间存在的一组协同运动与通道门控功能密切相关。计算结果提示,ASIC1的胞外结构域的内在旋转以及由质子结合所引起的‘手指’和‘拇指’子结构域间的协同运动会联合驱动由胞外区传递至跨膜区(通道孔区)的变构,从而导致通道产生“扭曲打开(Twist-to-open)”的运动。与此同时,徐天乐课题组博士后于烨和博士生李伟广根据计算结果所揭示的变构通路,开展了大量的ASIC1突变和电生理实验。这些实验清楚地描述了ASIC1的内在动力学与门控机理之间的关系。实验结果不仅支持计算的预测,而且提示计算与实验的精巧结合,是研究其它通道家族亚型门控机理的有效途径。
蒋华良和徐天乐研究员介绍该联合研究成果时说:“ASIC1的结构为门控机制研究提供了一个重要的基础条件。仅仅在Jasti 等人发表鸡ASIC1晶体结构论文后的第三天,两个课题组就联合攻关,综合运用计算和实验的手段研究ASIC1门控机制的动力学问题。由于采用了合适的策略,研究效率非常高。计算和模拟与定点突变和电生理的联合,这为研究复杂的离子通道门控过程提供了范例。”
文章发表在《PLoS Biology》杂志上。
“3CL水解酶酶活”与“聚集状态”的关系
2003年全国爆发SARS期间,沈旭研究员和蒋华良研究员两个课题组通力合作,积极投入到“SARS病毒重要蛋白功能研究”中,迄今为止已取得一系列富有价值的成果,如发现并证实SARS病毒N蛋白与人CypA的作用是SARS病毒感染人体正常细胞的一个可能途径,为SARS病毒感染人体机理研究提供了新线索;发现SARS 3CLpro G11A突变体在晶体中以单体形式存在,并阐明了3CL蛋白酶二聚体的形成与稳定机制,发表在JBC上的相应结果被《自然中国》评为亮点论文(S. Chen, et al., JBC, 2008, 283, 554-564)。这一系列研究成果在国际上产生了一定的影响。
此次研究发现虽然Ser139和Phe140是SARS蛋白水解酶(SARS 3CLpro)二聚界面的相邻氨基酸,其突变可引起不同的酶的聚集状态和活性,即Ser139突变使酶以单聚形式存在,但却保持一定的酶学活性,而Phen140突变使酶以二聚形式存在,却丧失活性。这些新的发现,不仅为阐明SARS 3CLpro活性和催化机理提供了重要素材,而且为基于3CLpro为靶点的抗SARS及相关病毒的药物设计提供了新的研究策略。
附:
蒋华良 , 男,研究员,博士生导师。现任中国科学院上海药物研究所副所长、所学术委员会副主任、药物发现与设计中心主任。 蒋华良研究员 1987 年毕业于南京大学化学系,获得学士学位; 1992 年毕业于华东师范大学化学系,获得理学硕士学位; 1995 年毕业于中国科学院上海药物研究所,师从嵇汝运院士和陈凯先院士,获得理学博士学位。随后留在药物所工作,历任副研究员、研究员、博士生导师、药物发现与设计中心主任、所学术委员会副主任、副所长等职。他是国家杰出青年基金获得者,科技部 973 计划首席科学家,科技部 863 计划“生物和医药技术领域”专家组成员,科技部中长期规划重大基础研究项目“蛋白质科学研究”专家组成员,国家自然科学基金委重大研究计划“基于化学小分子探针的信号转导过程研究”专家组成员。
蒋华良 研究组发展和应用生物学、化学、计算机和信息科学等多种学科交叉的新方法和新技术,深入开展药物设计、药物新靶标的发现、药物靶标构象变化与药理功能关系等研究,他 带领一批年轻科技人员,在国内较早采用超级计算机进行受体结构与功能关系研究以及药物设计研究;发展了系统化的新一代分子模拟、药物设计和靶标发现方法和技术,包括生物大分子体系的大规模分子动力学模拟并行算法、高通量虚拟筛选方法、集中组合库设计方法、 ADME/T 分析方法、蛋白质-蛋白质相互作用预测方法和新靶标预测方法,建立了 “ 分子模拟 ? 药物设计 ? 化学合成 ? 生物测试 ? 结构生物学研究 ” 的创新药物研究平台;对 20 余种具有重要生理功能的生物大分子结构与功能关系进行分子动力学模拟研究,特别是在模拟跨膜蛋白和蛋白质构象变化研究方面取得重要的进展;与同事合作,应用上述药物设计和药物筛选平台,针对感染、代谢性疾病、早老性痴呆症等 8 种疾病的 30 多个重要靶标进行了药物先导化合物的发现和优化研究。根据药物设计的结果,共对 1,500 种天然产物和 3,000 多个合成化合物进行相应的靶向筛选,获得活性化合物 1,000 余个,一些化合物已进入临床前研究。与同事合作,整合分子模拟、药物设计平台以及分子与细胞生物学、生物物理和结构生物学技术,建立了药物作用新靶标发现与功能确证平台,进行了靶标发现和功能确证研究,发现 15 个疾病相关新基因,对 5 个基因的功能进行了确证,测定了相应蛋白的晶体结构。
蒋华良领导的研究组在 PNAS 、 JBC 、 JACS 、 JMB 、 J. Viol. 、 Chem. & Biol. 、 Nucleic Acids Research 等杂志共发表 SCI 论文 200 余篇,合作编写专著《计算机辅助药物设计:方法、原理及应用》,在国内影响较大;参加 8 本专著的编写;主持翻译了 J. Licinio 和 M.-L. Wong 主编的《药物基因组学-寻求个性化治疗》;申请专利 52 项;应邀为 Drug Discovery Today 、 Curr. Med. Chem. 、 Curr. Pharmcuet. Design 等杂志撰写综述 8 篇。 蒋华良曾多次在国际学术会议作邀请报告,任国际 “ 第九届胆碱酯酶国际会议 (The IX th International Meeting on Cholinesterases)” 共同主席, 4 次任国际会议分会主席;他的研究项目被列入欧盟 F6 框架研究计划;组织了蛋白质模拟和药物设计 EMBO 研讨班,为我国的药物设计和蛋白质模拟研究的发展作出了贡献。蒋华良还担任 Journal of Medicinal Chemistry 、 ChemMedChem 和 Quantitative Structure Activity Relationship and Combinatorial Science (QCS) 等 5 个国际杂志的编委或顾问委员会成员。
蒋华良先后指导硕士、博士研究生共 40 余 人 ( 包括德国研究生 1 名 ) ,博士后 7 名。其中一些人已经晋升为研究员和博导,获得上海市启明星计划资助和中国化学会 2004 年度青年化学奖,成为年轻一代的优秀科技人才。他曾获得中国青年科学家奖、上海市科技进步一等奖和 “ 上海市十大科技精英 ” 称号,他领导的小组被评为上海市集体劳动模范。
代表性论文:
1.Zhang J, Li CJ, Chen KX, Zhu WL, Shen X, Jiang HL. (2006) Conformational transition pathway in the allosteric process of human glucokinase. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 103, 13368-13373.
2.Li HL, Gao ZT, Kang L, Zhang HL, Yang K, Luo XM, Chen KX, Shen JH, Wang XC, Jiang HL. (2006) TarFisDock: a web server for identifying drug targets with docking approach. Nucl. Acids Res. 34, W219-W224.
3.Li J, Zhang J, Chen J, Luo XM, Zhu WL, Shen JH, Liu H, Shen X, Jiang HL. (2006) Strategy for discovering chemical inhibitors of human cyclophilin A: focused library design, virtual screening, chemical synthesis and bioassay. J. Combi. Chem. 8, 326-337.
4.Xu YC, Shen JH, Luo XM, Chen KX, Zhu WL, Ma JP, Jiang HL. (2005) Conformational transition of amyloid b -peptide. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 5403-5407.
5.Xu YC, Barrantes FJ, Luo XM, Chen KX, Shen JH, Jiang HL. (2005) Conformational dynamics of the nicotinic acetylcholine receptor channel: a 35-ns molecular dynamics simulation study. J. Am. Chem. Soc. 127, 1291-1299.
6.Zhang J, Xu YC, Shen JH, Luo XM, Cheng JG, Chen KX, Zhu WL, Jiang HL. (2005) Dynamic Mechanism for the Autophosphorylation of CheA Histidine Kinase: Molecular Dynamics Simulations. J. Am. Chem. Soc. 127, 11709-11719.
6.Yu KQ, Fu W, Liu H, Luo XM, Chen KX, Ding JP, Shen JH, Jiang HL. (2004) Computational simulations of interactions of scorpion toxins with the voltage-gated potassium ion channel. Biophys. J. 86, 3542-3555.
7.Liu H, Li Y, Tan XJ, Cheng F, Zheng SX, Shen JH, Luo XM, Yue JM, Hu GY, Chen KX, Jiang HL, Ji RY. (2003) Structure-based discovery of potassium channel blockers from natural products virtual screening and electrophysiological assay. Chem. & Biol. 10(11), 1103-1113.
8.Xu YC, Shen JH*, Luo XM, Silman I, Sussman JL, Jiang HL, Chen KX. (2003) How does huperzine A enter and exit the active site of acetylcholinesterase? steered molecular dynamics simulations. J. Am. Chem. Soc. 125(37), 11340-11349.
9.Cui M, Huang XQ, Luo XM, Briggs JM, Ji RY, Chen KX, Shen JH, Jiang HL. ( 2002) Molecular docking and 3D-QSAR studies on gag peptide analogue inhibitors interacting with human
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