HIV-1整合酶抑制剂研究进展

1HIV-1整合酶抑制剂研究进展杨学章，郭长彬（首都师范大学化学系，北京100048）摘要：目的综述了整合酶的结构、催化机理以及最近几年整合酶抑制剂的研究进展。方法查阅了大量相关文献。结果整合酶抑制剂是研制抗HIV-1药物的一个理想靶点。结论HIV-1整合酶抑制剂将在治疗艾滋病方面发挥重大作用。关键词：HIV-1整合酶；作用机理；整合酶抑制剂；研究进展中图分类号：文献标识码：文章编号：ResearchProgressofHIV-1IntegraseInhibitorsYangXue-zhang,GuoChang-bin(DepartmentofChemistry,CapitalNormalUniversity,Beijing100048,China)AbstractOBJECTIVEInthisarticlewereviewedthestructureandcatalyticmechanismofHIV-1integraseandtheresearchprogressofintegraseinhibitorsinrecentyears.METHODSConsultingalotofpapersaboutthistopic.RESULTSHIV-1integraseisanenzymeindispensabletoHIV-1replication.Becausethereisnotanyintegraseanditsfunctionalanalogueinhumancells,integrasebecomesanidealtargetfordevelopinganti-HIV-1drugs.CONCLUSIONHIV-1integraseinhibitorswilltakeanimportantpartintreatingAIDSinthefuture.KeywordsHIV-1integrase;Mechanismofaction;Integraseinhibitors;Researchprogress艾滋病病毒（humanimmunodeficiencyvirus,HIV），又称人类免疫缺陷病毒，是一种逆转录病毒，它以人体免疫系统的T4淋巴细胞为攻击目标，最终可导致患者免疫系统崩溃。HIV分为HIV-1和HIV-2两种类型，HIV-1流行于全世界，HIV-2主要局限于非洲西部地区。截止2007年底，艾滋病已经夺走了2500万人的生命，并且全球仍有3300万HIV感染者。HIV-1在复制过程中离不开三种酶的参与，即逆转录酶（Reversetranscriptase）、蛋白酶（Protease）、整合酶（Integrase）。因为人体内不存在整合酶的功能类似物，所以该酶被作者简介：杨学章，男，硕士研究生联系作者：郭长彬，男，副教授，硕士生导师Tel:[phone]-1E-mail:[e-mail]2认为是研制抗HIV药物的理想靶点[1]。近几年来，人们合成了许多整合酶抑制剂，很多化合物在体外实验中被证实具有良好的抗HIV-1活性，有些药物已进入临床试验阶段，而最令人振奋的整合酶抑制剂MK-0518已于2007年上市[2]。1HIV-1整合酶的结构和作用机理1.1结构HIV-1整合酶含有288个氨基酸残基，分子量为32kd，属于多聚核苷酸转移酶家族。该酶的结构按照功能可分为N端区域、核心区域和C端区域[3]。N端区域由第1~49个氨基酸残基组成，形成His2Cys2（HHCC）基本序列，它的两个His以及两个Cys与Zn2+结合，促进了整合酶的四聚化，增强了整合酶催化活性[4]。核心区域由第50~212个氨基酸残基组成，含有核酸内切酶和聚核苷酸转移酶酶切位点。该区域包括三个高度保守的氨基酸残：D64、D116和E152，可与二价金属阳离子（Mn2+或Mg2+）结合，形成所谓的“D，D-35-E”结构。这是整合酶催化活性中心，其中任何一个氨基酸残基被取代都会使其活性消失[5,6]。C端区域由第213~288个氨基酸残基组成，是三个区域中保守性最小的区域，可与DNA非特异性结合。该区域包括顺序信号系统，参与病毒连接和酶的多聚反应[4]。1.2作用机理[7,8]HIV-1整合酶可催化病毒DNA与宿主DNA的整合过程。整合过程主要包括“3′加工(3′-progressing)”和“链转移(Strandtransfer)”。首先，在被感染细胞的细胞质中，HIV-1的RNA在逆转录酶的作用下形成双链cDNA，病毒线性DNA被整合酶识别，并在整合酶催化下，其3′端的两个核苷酸（G，T）被切除，在3′端形成凹陷的CA-OH，这就是“3′加工”。接着，3′加工产生的病毒DNA、病毒基质蛋白、宿主细胞的某些蛋白等成分形成病毒DNA蛋白复合物，由整合酶161～173位氨基酸残基组成的核定位信号(NLS)介导进入细胞核[9]。在细胞核中，整合酶交错切割宿主细胞染色体DNA，产生间隔5个碱基的交错切口，病毒DNA的3′端自由羟基与宿主DNA的5′端结合，形成磷酸二酯键，这一过程称为“链转移”。完成整合后HIV-1的DNA就随宿主DNA复制而复制。之后宿主细胞的修饰酶去掉病毒DNA5′端的两个未成对核苷酸(C，A)，修补病毒DNA与宿主DNA之间的裂隙，这就是去整合[10]。2HIV-1整合酶抑制剂HIV-1整合酶抑制剂类型很多，本文主要就二酮酸类、肽类和天然产物等类型进行综3述。2.1二酮酸类经试验证实，很多二酮酸类化合物及其类似物在细胞内对整合酶具有抑制活性，目前这类化合物的研究也最为成功。L-731988（1）和L-708906（2）是美国Merck公司最早报道的两个二酮酸类整合酶抑制剂，目前它们都进入临床试验阶段。1的IC50为0.05μmol／L，细胞内的EC50低于2μmol／L[11]。2对体外HIV感染的H9细胞的EC50为2.0μmol／L,它抑制“3′加工”的IC50为0.2μmol／L，抑制“链转移”的IC50为3.5μmol／L。这两个化合物的出现，引起了科学界对二酮酸类化合物的研究热潮[9,12]。S-1360（3）是Shionogi-GSK公司合成的第一个进入临床研究的整合酶抑制剂。在体外它对整合酶的抑制活性IC50达到0.02μmol／L。2002年进入Ⅱ期临床，但是由于它的结构具有生物不稳定性，2003年被FDI取缔[13]。Merck实验室的科学家采用生物电子等排法，找到了二酮酸的较稳定等效药效团，合成出一系列含有萘啶-7-甲酰胺官能团的化合物。其中化合物L870810（4）和L870812（5）具有很好的体外抗病毒活性。4在Ⅰ期临床实验过程中，因为发现对狗具有肝毒性和肾毒性而被迫停止研究[9]。5的结构与4类似，仍处于临床观察阶段，在50%的血清中5的IC95为0.35μmol／L，具有较强体外抗病毒活性，抑制HIV的IC95为0.25μmol／L[14]。Merck实验室合成的MK-0518（6），2007年年底结束Ⅲ期临床试验阶段，被FDA批准上市，成为第一个应用于临床的整合酶抑制剂。Ⅰ期临床试验，MK-0518以短期(10d)单一疗法用于治疗初始HIV患者，结果证明了其安全性和有效性。在50%人血清中其EC95为0.033μmol／L。Ⅱ期临床试验中6与其它抗HIV药物联合给药治疗初始及多重耐药的AIDS患者，为期24周，结果显示6与其它抗HIV药物具有协同作用，并且可抑制多重耐药的HIV毒株。6的生物利用率高，副作用小，耐受性好，对血脂水平影响小，治疗16~24周后，仍有持续抗病毒活性而无持续的毒性[2]。2.2肽类近年来科学家根据整合酶核心α-4螺旋结构，设计出同源系列的23~26氨基酸系列的多肽被证实有整合酶抑制活性。1995年荷兰科学家Plasterk及其科研小组发现一个六肽先图1化合物1-6的化学结构Fig.1Chemicalstructuresofcompounds1-64导化合物（H2N-HCKFWW-CONH2）抑制整合酶的“3′加工”的IC50为2μmol／L[15]。但是该六肽可被人体内蛋白酶降解，无法用作药物。我国上海有机所的龙亚秋以线性六肽（HCLPTT-NH2）为母体，设计合成了一系列的12肽，其中以甲基胱氨酸连接的二聚体多肽，抑制“3′加工”和“链转移”活性分别为5.3μmol／L和6.5μmol／L[16]。他合成的赖氨酸连接的四聚多肽对“3′加工”和“链转移”的抑制活性分别是0.6μmol／L和0.6μmol／L，是一种非产有潜力的整合酶抑制剂[17]。法国科学家De-Soultrait以I33为母体，合成了一系列具有抗HIV活性的短肽，其中活性最高的EBR28的IC50为5μmol／L[18]。2.3天然产物天然产物中提取的许多有效成分具有很好的抗HIV活性，如黄酮类化合物(flavones)、儿茶酚类化合物(catechols)等。2.3.1黄酮类黄酮类化合物(flavones)来源广泛。从中药黄芩（ScutellariabaicalensisGeorgi）中提取的黄酮类化合物黄芩苷（baicalin,7），不仅可以抑制HIV的逆转录酶和整合酶，还能干扰HIV-1囊膜蛋白与细胞表面的辅助受体结合，阻止HIV-1进入靶细胞[19,20]。AHn等[21]现，黄芩素（baicalein，8）能通过与整合酶催化核心的疏水区结合，诱导酶结构改变，从而抑制整合酶的活性。Rowley等从水鳖科海草（Thalassiatestudinum）中分离出三个黄酮苷ThalassiolinsA、B、C（9,10,11），其中ThalassiolinsA(9)的活性最好，对“链转移”和病毒复制的IC50分别是0.4μmol／L和30μmol／L[22]。2.3.2儿茶酚类2004年澳大利亚研究者从桉树芽中提取分离出木脂素（globoidnanA，12）含有三个儿茶酚单元和一个酯基，IC50为0.64μmol／L，没发现细胞毒性，具有良好前景[23]。2002年中美科学家从我国特有的唇形科植物丹参中提取分离出两种具有整合酶抑制活性的物质M522（lithospernicacidA，13）和M532(lithospermicacidB，14)。M522含有两个儿茶酚结构，M532含有三个儿茶酚结构。它们抑制“3′加工”的IC50分别是0.83μmol／L和0.48μmol／L，抑制去整合的IC50分别是0.48μmol／L和0.37μmol／L[24]。2003年日本研究者Tewtrakul等从锦紫苏（Coleusparvifolius）提取出整合酶抑制活性较高的化合物迷迭香酸（Rosmarinicacid，15）和迷迭香酸甲酯（Rosmarinicacidmethyl图2化合物7-11的化学结构Fig.2Chemicalstructuresofcompounds75ester，16），均含有两个儿茶酚片段，IC50分别是5.0±0.9μmol／L和3.1±0.8μmol／L[25]。2.4其它日本烟草公司发现的JTK-303（GS-9137，17）属于喹诺酮类HIV-1整合酶抑制剂，目前已进入Ⅱ期临床试验阶段，抑制“链转移”的IC50为7.2nmol／L，在治疗急性HIV-1感染的试验中的EC50为0.9nmol／L[8]，前景看好。由我国军事医学科学院和江中集团研制的二咖啡酰奎尼酸（结构参见化合物18）可显著抑制HIV整合酶，目前处于Ⅰ期临床研究阶段[26]。3小结与展望总之，虽然人们在整合酶抑制剂的研究过程中遇到了诸如缺乏内源性先导物、可靠的测定方法和确切的三维结构信息等困难[26]，但是仍然取得了可喜的进展，已经有一个药物上市(Merck公司的MK-0518)。现有的整合酶抑制剂大都含有可与金属离子络合的基团，可以阻断整合酶与二价金属离子的结合，这为人们设计合成新药提供了理论依据。计算机辅助药物设计，可以大大加速HIV-1整合酶抑制剂的研发进程。可以相信随