Application of Bioinformatics in Drug Molecular DesignZhao Shanrong Lin M aow ei Chen KaixianS hanghai Institute o f M ater ia Medica,Chinese A cademy o f Sciences,Shanghai200031Abstract With the r apid development o f bio technolo gy and Internet,bioinform atics has recently emerged.It is essential to diagnosis o f genetic diseases,pro tein structure predic-tio n,structure-based drug design,dr ug synthesis and pharmaceutical industry.The applica-tio n of bio informatics g reatly speeds up the prog ress of drug dev elo pm ent.Key Words Internet Bioinform atics Biolog ical database Drug molecular desig n(收稿:1996-12-16)唾液酸及其衍生物的生物学研究进展李绍顺(第二军医大学药理教研室 上海200433)摘 要 唾液酸广泛存在于多种生物组织中,是构成细胞表面的复合糖质的组成分。
在各种生命活动调节中起着重要的作用。
同时它们还是某些毒素的受体和某些病原微生物的作用部位。
近年来,以唾液酸为先导进行生物活性物质的探索成为新药研究的一个新领域。
这些研究包括抗癌转移、抗早老性痴呆、抗病毒、抗炎药物等。
本文综述了该研究的一些新进展。
关键词 唾液酸 生理作用 生物学研究 药物研制1 引言唾液酸(Sialic acid)最早由Blix从唾液腺粘蛋白中提取分离得到,因而命名为唾液酸。
而后,Klenk由神经节甙脂(Gangliosides)中分离出结晶性的多羟基氨酸,并命名为神经氨酸(Neuram inic acid)。
日本的山川民夫将在红细胞膜的研究中分离得到的一种物质命名为Hemataminic acid. Kuhn等从牛的初乳中分离得到Lactaminic acid.Zilliken等从母乳中得到Gainaminic acid.山川等又从马的血清中分离得到Sero-lactaminic acid.经结构分析确认这些化合物实际与唾液酸为同一类物质。
1957年,Bliz等提出把这些氨基糖酸的基本结构(5-amino-3,5-dideox y-D-gly cero-D-g lacto-nonulo pyr anosonic acid)定名为神经氨酸,而把神经氨酸的一系列酰化物叫唾液酸。
随着唾液酸衍生物的不断发现及合成研究进展,1984年小仓治夫等[1]提议将唾液酸的定义扩大,还包括神经氨酸的各种衍生物。
唾液酸广泛存在于各种生物的组织中,是构成细胞表面的复合糖质的组成分,通常在糖蛋白和糖脂的末端以糖甙的形式存在。
特别是在脑、神经组织、血液、颌下腺、粘蛋白、初乳中存在较多,有时在血清、体液和尿中也能发现游离的唾液酸。
在大部分哺乳动物组织中发现的唾液酸主要是N -乙酰基神经氨酸(N-Acetyl-neuraminic acid,Neu5Ac,图1-1)。
在马和狗的血清中还发现有N-羟乙酰基神经氨酸(N -Gly colo yl -neuraminic acid,Neu5Gc,图1-2)。
在脊椎动物和低等动物(如墨鱼、虾等)的体内也含有各种唾液酸,如在鲑鱼卵中发现有唾液酸的类似物KDN (图1-3)存在。
从某种大肠菌中(如E .Col-ik235)也发现有Neu5Gc 的复合体存在[2]。
还有报道从大豆及紫花苜蓿种子的水解产物中亦发现有Neu 5Gc ,尚有待进一步证实。
3-Deox y -D -glycer o -D -g lacto -2-nonulo py rano so nic A cid(KD N )(3)图1 天然唾液酸的结构2 含唾液酸的复合糖质的生理作用2.1 糖蛋白有两种含唾液酸的糖蛋白。
一种象粘蛋白中含有的简单糖蛋白,糖链与肽链的丝氨酸、苏氨酸等以氧糖甙键的形式结合。
粘蛋白作为哺乳动物脏器内的分泌物起各种重要的生理作用,如对脏器的保护等。
另外,在血清和尿中粘蛋白对病毒及细菌毒素有杀灭作用。
另一种为复杂糖链与肽链的天冬氨酸以氮糖甙键的形式结合的糖蛋白。
按其结构可分为高甘露糖型、复合型和混合型。
复合型糖蛋白的末端连有唾液酸。
据信此种糖蛋白在各种生命活动的调节及细胞间相互识别中起作用。
这种糖链的结构较复杂,日本东京大学木幡等[3～4]的研究搞清了由大鼠肝脏得到的 -谷酰转肽酶( -GTP)及由正常孕妇尿中得到的人绒毛膜促性腺激素(HCG)的糖链结构,糖链的末端均含有唾液酸。
研究表明,去除糖链末端的唾液酸后,其生理活性即消失。
且癌变时,缺少唾液酸的糖链会增加,糖链的结构也发生变化。
2.2 糖脂糖脂是由叫做神经酰胺(Cer am ide)的长碳氢链与各种糖链结合构成,广泛存在于生物体中。
如人红细胞膜的糖脂约占脂质的5%,其中末端连有唾液酸的糖脂占整个糖脂的5%.切断糖链末端的唾液酸,可引起红细胞坏死,并在肝脏中被分解。
在人脑和神经组织中大量存在的神经节甙脂是含有唾液酸结构的最重要的糖脂之一,现已发现50多种。
结构特点是在连有神经酰氨的多糖末端连接一个或几个唾液酸,以缩写GM 、GD 、GT 、GQ 分别表示末端连有一个、两个、三个、四个唾液酸的神经节甙脂,现已发现的神经节甙脂有GM (GM 1a ,GM 1b ,GM 2,GM 3),GD (GD 1a ,GD 2,GD 3),GT(GT 1a ,GT 1b )和GQ 1b 等。
GM 1是霍乱毒素的受体,GT 1b 是破伤风毒素的受体,GT 1a 可能是肉毒杆菌毒素的受体[5]。
神经节甙脂对细胞间的信号传递有重要作用,其机制可能是通过与某些细胞膜离子通道相互作用,或与细胞膜的某些激酶直接作用,抑或是其降解产物直接抑制了蛋白激酶[6]。
另外,神经细胞的生长、发育及后期突起延长均需要神经生长因子(NGF)。
当外源加入GM 1或GT 1b 时可加强NGF 对肾上腺髓质瘤PC 12细胞的作用。
GQ 1b 不但加强NGF 的作用,而且其本身具有与NGF 同等的神经突起生长和延长作用;GD 1a 也有此作用但较弱[7]。
神经节甙脂尚可加速体内神经组织的再生与修复。
而对脑中存在的大量神经节甙脂所起的作用目前尚不清楚。
已发现在免疫细胞的识别中,细胞表面糖脂起重要作用。
图2所示结构为一种神经节甙脂(CA 19-9),是用人的结肠、直肠癌细胞对小鼠进行免疫后得到的单克隆抗体的识别部位。
可用于消化道癌和胰脏癌的基因标记[8]。
如果没有端位的唾液酸,即失去识别作用。
图2 碳水化合物抗原19-9(CA19-9)的结构3 唾液酸衍生物的治疗作用及其酶系与某些疾病的关系3.1 抑制唾液酸转移酶与抗癌转移研究表明,唾液酸转移酶与肿瘤的转移密切相关。
细胞膜表面唾液酸含量与肿瘤的恶性程度有关。
有人发现黑色素瘤[9]和白血病细胞[10]中唾液酸转移酶活性高于正常细胞。
卢大用等[11]研究了六种动物肿瘤模型,发现随着肿瘤的生长,血液中唾液酸含量增加。
并发现抗肿瘤转移药吗丙嗪能明显抑制肿瘤产生唾液酸,一些能与DNA 结合的抗肿瘤药物也能降低肿瘤产生唾液酸。
唾液酸转移酶抑制剂能抑制肿瘤的转移。
Kijima-suda 等[12～13]报道了唾液酸的尿嘧啶核苷衍生物(KI -8110,图3-1)和次黄嘌呤衍生物(KI-8115,图3-2)是两个专属性较强的唾液酸转移酶抑制剂,而对半乳糖转移酶和N-乙酰半乳糖胺转移酶没有作用。
这些化合物均可抑制从Colo n adenocarcinoma 26的NL -17肺转移癌中得到的唾液酸转移酶活性,减少细胞图3 K I -8110和K I -8115的结构表面唾液酸量,显著降低肺癌转移的结节数,使小鼠的生存时间延长。
在大鼠试验中,它们能抑制大肠癌的肝转移。
其作用机制不是直接作用于癌细胞,而是通过抑制唾液酸转移酶,诱导细胞表面糖链结构的改变,从而影响癌细胞与正常细胞的相互作用。
3.2 促进神经细胞生长与抗早老性痴呆如前所述,唾液酸在脑中含量很高,可能与神经传导和兴奋有关。
脑中大量存在的神经节甙脂与神经细胞的生长和突起延长有关。
一些神经性疾病,如早老性痴呆(Alzheimer ′s 病)、老年痴呆症以及精神分裂症患者血液或脑中的唾液酸含量下降,经药物治疗康复后,其含量又显正常。
由此表明唾液酸能参与神经活动[14]。
人们试图合成一些唾液酸衍生物,用于某些神经性疾病的治疗。
永井等[15～16]报道了唾液酸的胆固醇甙(图4-1)对小鼠神经芽肿瘤细胞具有分化诱导作用,可促进神经突起的延长,其 -异构体的作用是神经生长因子的270倍, -异构体的作用较弱,为 -异构体的1/10.用该化合物对小鼠AF64A 模型进行抗Alzheim er ′s 病试验,3m g /kg 每日1次,连续给药7d ,可使海马和纹状体的胆碱和乙酰胆碱水平恢复正常,自发运动量恢复正常,有可能成为早老性痴呆及神经损伤的治疗和预防药物[17～18]。
唾液酸的5-羟基类似物(KDN )的胆固醇甙(图4-2)及唾液酸的胆固醇硫甙化合物也有类似作用[19～20]。
图4 唾液酸的胆固醇甙结构3.3 抑制唾液酸酶与抗病毒唾液酸酶是一种甙水解酶,可水解以 -甙键连接在糖蛋白和糖脂末端的唾液酸。
许多含有唾液酸酶的微生物都是致病的,这种酶在微生物的感染和传播中起重要作用。
唾液酸酶抑制剂的研究是抗病毒药物研究的一个新领域,尤其是在抗流感病毒研究方面已取得了突破性进展。
最近,Van Itzslein 研究组[21]研究发现,4-氨基或4-胍基-2-去氧-2,3-去氢唾液酸(图5-1)不仅在体外,而且在体内经鼻粘膜给药也具有较强的抗流感病毒A 、B 活性,强于目前临床应用的金刚烷胺和三氮唑核苷,很有希望开发成新的抗病毒药。
另据报道,唾液酸的9-乙酰化物具有抗流感病毒C 活性[22]。
唾液酸的类似物Sias-tatin B 衍生物(图5-2)具有抗人自身免疫缺陷病毒作用,可用于治疗艾滋病[23]。
3.4 抑制白细胞粘附与抗炎组织发炎或受到损伤时,白细胞聚集到发炎组织周围,发挥抗菌消炎作用。
