蛋白酪氨酸磷酸酶-1B与糖尿病之间的关系,药学论文

蛋白酪氨酸磷酸酶-1B与糖尿病之间的关系,药学论文蛋白酪氨酸磷酸酶〔proteintyrosinephosphatase，PTP〕是细胞增殖和信号传导的调节经过中，调节蛋白酪氨酸残基磷酸化水平的酶家族。PTP和蛋白酪氨酸激酶〔proteintyrosinekinase，PTK〕及其各自相应的底物协同作用，构成一个复杂的信号传导网络，通过调控蛋白氨基酸残基的磷酸化水平，调节生物体内细胞的生长、分化、代谢经过，介入细胞周期调控、细胞迁移、基因转录和免疫应答等经过。当前的研究发现人类共有112种PTPs，根据它们的构造分为酪氨酸特异性、双特异性和低分子量磷酸酶，华而不实蛋白酪氨酸磷酸酶-1B〔ProteinTyrosinePhos－phatase-1B，PTP-1B〕于1988年由Tonks等初次在人的胎盘细胞中分离和纯化得到，属于酪氨酸特异性磷酸酶，根据受体构造可分为受体样PTP-1B和胞内PTP-1B。PTP-1B专一水解芳香族磷酸，由435个氨基酸残基组成，分子量约50ku。其构造中有一个氨基末端催化区和两个富含脯氨酸的模序。PTP-1B在肌肉、心、肝、睾丸、肾、脾、脑和脂肪等组织中广泛表示出，主要集中在细胞浆的内质网的外表。PTP-1B的N端为包含半胱氨酸和精氨酸残基的催化中心，朝向胞浆方向；C端通过35个特异性氨基酸与内质网相结合，羧基末端水解断裂后从内质网释放出有活性的PTP1B；N端和C端之间为两段富含脯氨酸的区域，在PTP1B与其他蛋白之间的互相作用上发挥重要作用。PTP-1BDNA的启动子上有一个转录因子Y盒结合蛋白-1的结合位点，它的过度表示出可使PTP-1B的表示出水平增加。使用反义寡核苷酸技术减少其表示出后，PTP-1B的表示出随之降低，呈正相关趋势。PTP-1B在体内没有本身的特异性受体，而是在细胞信号传导经过中，与PTP家族中的其他成员以及蛋白酪氨酸激酶协同作用，调控蛋白底物中酪氨酸的磷酸化水平，进而对细胞的生长、分化、代谢、基因转录和免疫应答等功能进行调节。1PTP-1B的生理功能当前研究发现PTP-1B主要表现出下面几个方面的生理功能：〔1〕与胰岛素受体〔insulinreceptor，IR〕、胰岛素受体底物〔insulinreceptorsubstrate，IRS〕等信号蛋白作用，使这些蛋白调节区的酪氨酸残基去磷酸化，进而阻断胰岛素信号级联反响的下传，在胰岛素信号中起着负调控作用。与II型糖尿病的发生具有密切的联络。〔2〕在瘦素信号传导经过中，通过降低转录激活子-3〔STAT-3〕和Janus激酶-2〔JAK-2〕的磷酸化水平，在瘦素信号中起负调控作用。与肥胖的发生具有密切的联络。〔3〕PTP-1B通过与生长因子等底物互相作用，介入细胞生长周期的调节，与肿瘤的发生具有一定的联络。除此之外，研究还发现PTP-1B在催乳素信号传导、血小板凝集等方面具有一定的影响。2PTP-1B与糖尿病之间的关系糖尿病是一类慢性代谢性疾病，随着生活水平的提高，糖尿病的发病率呈逐年上升趋势，成为继心脑血管疾病及癌症之后，威胁人类健康的第三大类疾病。当前已有约3亿糖尿病患者，到2030年，估计患者人数将突破5亿。根据糖尿病的发病机制，糖尿病可分为I型糖尿病和II型糖尿病，华而不实II型糖尿病患者超过糖尿病患者总数的80%，主要表现为胰岛素抵抗或胰岛素受体不敏感，分泌胰岛素的胰腺B细胞数量减少，功能障碍，进而导致糖代谢障碍，血糖水平升高。对PTP-1B生理功能的研究已经证实，其与胰岛素及瘦素信号传导呈负调节关系，因而PTP-1B与II型糖尿病的发病原因关系密切，是开发II型糖尿病治疗药物的重要靶点之一。2.1PTP-1B胰岛素抵抗：代谢经过中，胰岛素可与脂肪、骨骼肌、肝细胞等细胞的细胞膜上的胰岛素受体胞外亚基结合，进而使受体胞内亚基酪氨酸激酶活化，导致本身及其底物磷酸化，进而引起葡萄糖转运、肝和骨骼肌的糖原合成等一系列生理经过，因而调节胰岛素受体的酪氨酸磷酸化水平的高低即可调节生物体内糖代谢的水平。PTP-1B的生理功能之一即是对胰岛素受体在合成期间的酪氨酸进行去磷酸化，阻断胰岛素信号传导途径，抑制葡萄糖在体内的代谢，最终导致血糖升高。另外，组织细胞中PTP-1B表示出水平的增加还会降低PTK的活性，使胰岛素受体因磷酸化水平降低不能与胰岛素正常结合，进而引起胰岛素抵抗，是II型糖尿病构成的原因之一。利用剔除了PTP-1B的小鼠进行研究发现，即便经过一段时间的致肥胖饮食喂养，小鼠也没有表现出肥胖或胰岛素抵抗异常感觉和状态，小鼠对胰岛素的敏感性显着加强；而在小鼠肝脏重新表示出PTP-1B后，加强的胰岛素敏感性又显着减弱，该实验现象，验证了PTP-1B与胰岛素介导的胰岛素受体酪氨酸磷酸化的关系。2.2PTP-1B与胰岛B细胞数量的关系：实验发现，小鼠在剔除PTP-1B后，其胰岛B细胞区域明显减少，胰岛素分泌量减少；而同时剔除PTP-1B和胰岛素受体底物-2后，小鼠胰岛B细胞区域增加，由此可见，PTP-1B与胰岛B细胞数量呈现出动态平衡的关系。2.3介入瘦素信号传导：由脂肪组织分泌的瘦素是一种调节人体脂肪含量的激素，与糖尿病及肥胖症的发病具有密切的联络。研究已经证实，在糖尿病和胰岛素抵抗的动物模型中均存在瘦素信号传导途径紊乱的现象。PTP-1B在信号传导的调节经过中，可使JAK-2和STAT-3去磷酸化，进而阻断瘦素信号的传递，抑制PTP-1B的表示出后，STAT-3磷酸化水平增加，活性明显加强。而由于PTP-1B表示出增加引起的瘦素信号传递紊乱，会进一步促进或加重糖尿病的发生、发展。3PTP-1B抑制剂研究明确了PTP-1B与II型糖尿病和肥胖的关系，抑制PTP-1B的活性，可提高患者对胰岛素的敏感性，因而PTP-1B抑制剂的研究成为开发治疗II型糖尿病药物的靶点之一。当前，基于PTP-1B的三维构造及活性部位，利用计算机辅助药物设计、高通量挑选、生物电子等排原理，科学家已经获得了大量小分子PTP-1B抑制剂。本文根据近年文献报道的PTP-1B抑制剂的构造，对其进行扼要综述。3.1非专一性的无机类PTP-1B抑制剂：该类抑制剂主要包括钒酸盐和过氧钒等。钒酸盐的抑制作用主要基于钒酸根在构造上类似酶的天然底物的磷酸根；过氧钒对PTP-1B的抑制作用是通过将PTPase活性中心Cys的巯基进行的不可逆氧化由半胱氨酸氧化成磺酸。除此之外，一氧化氮和苯胂化氧对PTP-1B也表现出一定的抑制活性。这些无机类抑制剂固然对PTP-1B表现出一定的抑制活性，但同时对PTP家族中的其他酶具有一定的一致性，专一性差，因而限制了它们成为药物的可能性。3.2磷酸酯类似物：该类抑制剂的设计主要是利用生物电子等排原理，利用磷酸、草酸、乙酸、磺酸、丙二酸等构造替代PTP-1B的催化活性区内的磷酸酯基，进而构成对PTP-1B的抑制作用。但整个PTP家族均具有这个保守的催化活性区，因而单纯对该部位进行结合的抑制剂很难获得针对PTP-1B的选择性作用。为加强该类抑制剂的选择性，科学家们设计并合成了一系列同时作用于催化活性区与第二结合位点的PTP-1B选择性抑制剂，该类抑制剂主要包括二氟亚甲基磷酸盐、苯并呋喃和苯并噻吩-苯氧乙酸类、噻二唑烷酮类等。a和b〔图1〕为含有-二氟-亚甲基磷酸〔DFMP〕构造的化合物，实验数据表示清楚它们对PTP-1B均表现出很好的抑制活性，IC50分别为0.074和0.20mol/L。化合物c〔图1〕不仅表现出较强的抑制活性〔Ki=2.4nM〕，还展现出较强的抑制选择性。Wyeth公司开发了一系列针对糖尿病治疗研究的苯并呋喃和苯并噻吩-苯氧乙酸类PTP-1B抑制剂。华而不实化合物d〔图1〕表现出较高的抑制活性〔IC50=83nmol/L〕和针对PTP-1B的选择性。受试肥胖型小鼠连续口服化合物4d后，血糖显着降低，胰岛素水平明显改善。Ertiprotafib〔图1〕是为数不多的进入临床研究阶段的选择性PTP-1B抑制剂，虽由于多种原因被终止研究，但对其构效关系的研究为开发PTP-1B抑制剂提供了理论根据。噻二唑烷酮类PTP-1B抑制剂〔e，见图1〕与二氟亚甲基磷酸盐抑制剂相比具有更好的跨膜通透性，同时，它们在与PTP-1B的结合中，通过取代活性位点中的3个水分子，展现出比磷酸酯类化合物更强的抑制活性。迄今为止，酪氨酸磷酸酯类似物仍然是研究最为深切进入的PTP-1B抑制剂。随着对PTP-1B构造研究的不断深切进入，人们发现除关键性的催化活性区域外，其构造中还含有第二结合位点以及其他与分子辨别相关的氨基酸残基，设计能够同时与这些部位及催化活性区域结合的抑制剂在保存抑制活性的同时，明显提高其选择性。但是，当前该类抑制剂主要问题是其构造中多数带有一定量的负电荷，致使其不易透过细胞膜，难以到达作用位点，导致其难以成药。因而开发具有高一致性、高选择性并兼具良好药代动力学性质的PTP-1B抑制剂是当下研究的目的。3.3苯甲酰磺胺噻唑类变构抑制剂：苯甲酰磺胺噻唑类抑制剂是基于PTP-1B的构造设计得到的小分子抑制剂，华而不实化合物f〔图1〕的半数抑制浓度IC50值为3.2mol/L，并且具有显着的体内胰岛素增敏作用。利用计算机辅助设计软件研究化合物f分子与PTP-1B的结合形式发现，其分子中与RL部分相连的苯环嵌入到由Ala189、Leu192和Phe280构成的疏水腔内；噻唑环与氨基酸残基Phe280构成疏水作用；酮羰基中的氧原子与Asn193构成氢键作用；酰胺键中的氮原子与Glu276构成氢键作用。3.4其他PTP-1B抑制剂：在对大量天然产物的研究中，人们还发现了很多具有PTP-1B抑制活性的构造，主要包括香草酸类衍生物、醌类衍生物等。固然它们与PTP-1B的作用位点尚不完全明确，但对它们构造及其类似物的研究，为开发新型PTP-1B抑制剂提供了更多的研究方向。4小结PTP-1B作为新的药用靶点的研制是近年来生物学及创新药物研究的热门，对于该类抑制剂的研究大多处于实验室研究阶段，进入临床研究的较少，当前还没有该类抑制剂作为药物上市。限制其成药的主要原因首先是PTP-1B与PTP家族中其他的酶具有一样的催化中心，在抑制PTP-1B活性的同时提高其针对PTP-1B的选择性极其重要。另外，当前发现的很多高效、高选择性的小分子抑制剂，多带有容易电离的基团，导致其不易通过细胞膜，生物利用度难以到达药用要求。因而当前PTP-1B抑制剂尚未上市销售。因而，开发具有抑制性、专一性，同时兼具良好药代动力学性质的小分子PTP-1B抑制剂将是今后研究的重点方向。随着对PTP-1B构造认识的不断深切进入，对其生理功能的进一步说明，我们相信会有越来越多的PTP-1B抑制剂进入临床研究阶段，并从中挑选出成熟的新药上市，为II型糖尿病的治疗带来新的希望。以下为参考文献[1]SunSX，LiXB，LiuWB，etal.Design，Synthesis，Biologi－calActivityandMolecularDynamicsStudiesofSpecificProteinTyrosinePhosphatase1BInhibitorsoverSHP