Structure-based Studies to Develop Inhibitors of Galectin and β-Glucuronidase
Date Issued
2016
Date
2016
Author(s)
Lin, Hsien-Ya
Abstract
本論文選定兩個標的蛋白，分別是人類半乳糖凝集素 (Galectin) 與腸道共生菌的乙型葡萄糖醛酸酶 (β-Glucuronidase)。這兩類蛋白已被證實在癌症治療上扮演重要的角色，例如半乳糖凝集素促使癌症細胞的生長，及加快腫瘤惡化的進程，而細菌的乙型葡萄糖醛酸酶造成藥物在腸胃道代謝，引發病患對抗癌藥物的副作用。由於這兩類蛋白家族中，各別成員的胺基酸序列和三級結構都具有高度的保留性。若想要分別針對特定的成員，開發有效且具選擇性的抑製劑，是一項極具困難與挑戰性的任務。有鑒於以蛋白質結構，為藥物設計導向的諸多成功案例，我們整合了蛋白質晶體和核磁共振光譜所得到的結構資訊，以及等溫滴定量熱法等所測定的結合參數，來開發這兩種治療標靶的選擇性抑製劑。 半乳糖凝集素，因結合細胞表面醣體的半乳糖苷而得名，其醣辨識區可分為五個子結合區 (A–E)。迄今最有效的半乳糖凝集素抑製劑 （TD139; 3,3’-deoxy-3,3’- bis-(4-[m-fluorophenyl]-1H-1,2,3-triazol-1-yl)-thio-digalactoside） ，是針對半乳糖凝集素-3 (Galectin-3) 所開發，該抑制劑已被初步證實對特發性肺纖維化 (idiopathic pulmonary fibrosis) 具有療效。然而，有關半乳糖凝集素-3 如何與TD139 作用，及 TD139 為何能對半乳糖凝集素家族成員有選擇性，尚缺乏結構上的解釋與分析。在本文的第一部分中，我們研究半乳糖凝集素-1，-3 和 -7 ，如何與三個硫代二半乳糖苷 (Thiodigalactoside; TDG) 的衍生物作用，其中包括TDG 本身， TD139 和 TAZTDG (3-deoxy-3-(4-[m-fluorophenyl]-1H-1,2,3-triazol-1-yl)-thio- digalactoside)。出人意料的，我們發現 TAZTDG 對這三個半乳糖凝集素有兩種不同的結合模式，其氟苯基 (fluorophenyl group) 會優先結合到半乳糖凝集素-3 的子結合區 B，而對半乳糖凝集素-1 和 -7 則傾向結合到子結合區 E。我們的研究不僅首次證實了子結合區 E的貢獻，也為未來其他半乳糖凝集素選擇性抑製劑的開發，提供了重要的資訊。 第二部分的研究對象為細菌的乙型葡萄糖醛酸酶。相比於人類酵素，細菌的乙型葡萄糖醛酸酶在活性區附近，多了一段人類酵素所沒有的 loop，該段區域命名為 bacterial loop。目前已知的選擇性抑製劑 （ASN 03273363） 即結合於此細菌獨有的 loop 上，並不會影響人類酵素。然而，我們發現超過半數以上的共生菌，序列中並不包含該段loop，即便包含，其高度的序列變異性，也造成 ASN 03273363 的抑制效果不彰。為了解決這些問題，我們以酵素催化的過渡態類似物–isofagomine（IFG） 作為基礎，合成一系列衍生物，嘗試尋找對細菌酵素具專一性的抑制物。結果發現，在一號碳引入取代基可使 IFG 衍生物具備選擇性。此外，我們針對雙歧桿菌 (Bifidobacterium dentium) 的乙型葡萄糖醛酸酶，利用組合式化學快速合成篩選具潛力的 IFG 衍生物。雙歧桿菌酵素因不含前述的 loop 區域，而無法被 ASN 03273363 所抑制，我們成功地篩選出一不可逆抑制物，該抑制物與非催化區域的半胱氨酸形成共價鍵，與人類酵素的選擇性可上達百倍。
Subjects
galectin
β-glucuronidase
microbiome
selective inhibitor
protein structure
Type
thesis