MetaDrug应用案例分析三：如何应用MetaDrug进行小分子化合物功能比较

点击数：7722011-07-19 00:00:00　来源: 源资科技官网

MetaDrug应用案例分析三：如何应用MetaDrug进行小分子化合物功能比较
使用MetaDrug 分析抗精神病药物Clozapine并比较其结构类似物Olanzapine

目的：

    通过结构分析，预测代谢产物以及分子的作用靶点，并通过构建分子网络研究Clozapine诱导的粒细胞缺乏症以及心脏损伤的分子机制：比较Clozapine以及其结构类似物Olanzapine；使用已经发表的表达数据预测药物的作用机制。

背景：

    Clozapine 是一种非典型的抗精神病药物因为它能与5－羟色胺以及多巴胺受体结合。它能够影响多种多巴胺诱导的行为，这也是许多典型的抗精神药物所没有的。Olanzapine结构与Clozapine类似。

    在治疗精神分裂症方面与Olanzapine 相比较，Clozapine更具有效果。如果不考虑其副作用的话，它应该是治疗精神分裂症方面的一线药物。但是它有时候（很少）会引起粒细胞缺乏症和心脏损伤。
    Clozapine针对中性粒细胞的细胞毒性作用主要是由于母体化合物的氧化生成了反应性的代谢产物引起的。这种反应性的代谢产物会生成一种反应性的含氮中间产物，称之为Nitrenium 离子。这种Nitrenium离子会有潜在的致癌作用。根据研究表明在使用Clozapine药物治疗过程中，中性粒细胞中会产生高浓度的氧化反应性物质，以及促凋亡基因开始高表达，引起中性粒细胞的大量凋亡。
    我们使用MetaCore/MetaDrug平台，分析了Clozapine引起中性粒细胞缺乏症的分子机制。

方法：

    将Clozapine和Olanzapine结构文件分别上传到MetaDrug平台，进行代谢物的预测和相似化合物的搜索，并在系统水平评估化合物的活性。将Clozapine和他的反应性的代谢产物的所有已知的靶点和预测的靶点进行功能富集分析，分析所影响的GeneGo不同分类体系，如    Canonical Pathway Maps, GeneGo以及Go Processes, Diseases, 以及Metabolic Pathways。

    将从GEO下载的表达数据上传到MetaCore, 并进行Enrichment analysis, 其原始的实验的目的是用基因表达芯片分析Clozapine的治疗活性和毒性的分子机制。

实验结果和结论：

    在化合物上传至MetaDrug的过程中，所预测的代谢产物，Q-SAR模型的计算，相似化合物的搜索，化合物及其代谢产物的潜在作用靶点都会在结果报告页面呈现。

    在MetaDrug中，支持初级代谢产物和次级代谢产物以及非必要的代谢产物的计算，这项功能在此次研究中是非常重要的，因为Clozapine对nitrenium离子的激活是通过氧化应激反应而引起的，而不是常规的代谢酶引起的代谢反应引起。这些反应性的代谢产物在药物代谢谱中是属于稀有的代谢组分。
    通过MetaDrug内置的反应规则，并观察所预测的代谢产物的结构，非常容易鉴定出被生物激活的Clozapine的代谢产物。通过MetaDrug预测出了多个N-氧化的代谢产物，其中有一个很明显的候选化合物，具有稳定Nitrenium离子的作用，见图5所示。

    
    根据MetaDrug的代谢规则所预测的每一个代谢产物都呈现在结果页面当中，其中用红方框标记出的是被生物激活的代谢产物。所有代谢产物的靶点都在GeneGo的各种分类体系中进行富集分析。其中在GeneGo的Canonical Pathway maps分类中有一个是“Muscle contraction_GPCRs in the regulation of smooth muscle.”Clozapine有一个副作用就是会引起扩张型心肌病（dilated cardiomyopathy）。平滑肌的功能的干扰会引起高血压症，从而会引起补偿性的心肌肥大以及扩张型心肌病。实际上，经过Clozapine治疗的病人有12％以上 都有高血压的症状。另外一个相关的图谱是跟心肌肥大相关“Cardiac Hypertension_Ca2+- dependent NF-AT signaling in Cardiac Hypertrophy”. Clozapine 所引起的高血压和心肌肥大症进一步证实了临床科学的研究
    在GeneGo functional process networks分类体系中，有很多的网络是跟炎症反应过程是相关的，这提示Clozapine所产生的代谢产物可能会诱导有很多的炎症反应。其中一个用红色方框标记的是“inflammation_Neutrophil activation”。Clozapine的主要毒性是由于中性粒细胞的凋亡而引起的中性粒细胞的缺失。正如先前讨论的，研究表明中性粒细胞中产生的高浓度的反应性氧化物质跟中性粒细胞的凋亡有很高的相关性。这些情况表明Clozapine很有可能通过这些反应性的氧化物质引起中性粒细胞的凋亡。

    为了进一步证实MetaDrug的预测，将经过Clozapine处理的小鼠大脑部组织的表达数据经过处理，找到3倍以上差异表达的基因，并加到所显示的图谱和网络上面。

    在图11中，跟中性粒细胞激活的网络中显示了表达数据，在这张网络中，用红色圆圈标记出的nodes是这些差异表达的基因。其中一个受差异调节的蛋白复合物是I-KB。I-KB复合物的组成蛋白通过结合功能调节NF-KB的活性。在Clozapine处理的小鼠中，NF-KBIA高表达，这种蛋白能够抑制NF-KB的活性，而NF-KB能够调节抗凋亡基因的表达。
    通过搜索NF-KB相关的Pathway，可以找到其中一个跟凋亡和细胞存活相关的Pathway是通过TNFs/NF-KB/BCL-2这样一个通路来进行调节的。在Clozapine处理的病人中，会引起Bcl-2的下降，从而引起中性粒细胞的凋亡。
    经过Clozapine处理的小鼠会影响两种调节因子的表达，NF-KBIA表达升高，抑制了NF-KB的活性，从而进一步抑制了Bcl-2L1的转录，Bcl-2L1表达的下降使细胞中抗凋亡功能下降，从而引起了细胞的凋亡。

总结：

    通过使用MetaCore/MetaDrug平台分析化合物的结构，以及相关的高通量数据，能够帮助科研人员药物相关的毒性的分子机制
    MetaDrug中代谢产物的预测，潜在作用靶点的预测以及功能分析，能够帮助理解抗精神病药物Clozapine所带来的中性粒细胞缺乏症的分子机制
    公共数据库中的基因表达数据能够进一步帮助验证Clozapine所带来的副作用
    MetaCore/MetaDrug平台能够提供多水平的分析功能，如化学分析和生物分析，基于网络和Pathway的功能分析等。
    （原文链接：http://www.genego.com/pdf/MetadrugClozapineCSLR.pdf）