青蒿素及其衍生物对恶性疟原虫 PfDdi1 的抑制作用研究：抗疟新药设计的新曙光

《Cell Biochemistry and Biophysics》：Computational Analysis of Plasmodium falciparum DNA Damage Inducible Protein 1 (PfDdi1): Insights into Binding of Artemisinin and its Derivatives and Implications for Antimalarial Drug Design

为解决疟疾治疗难题，研究人员开展青蒿素及其衍生物对 PfDdi1 的研究，发现其有抑制作用，助力抗疟药研发。

　　疟疾，这一古老而又顽固的疾病，至今仍在全球肆虐，严重威胁着人类的健康。据统计，2018 年全球约有 2.28 亿临床病例，40.5 万人死亡；2020 年和 2021 年的数据也不容乐观，分别有 2.45 亿和 2.47 亿病例，62.5 万和 61.9 万人死亡。在众多疟原虫中，恶性疟原虫（Plasmodium falciparum）引发的疟疾最为严重，是疟疾防控的重点对象。

目前，疟疾的防控面临着诸多挑战。一方面，传统抗疟药物如氯喹、磺胺多辛 / 乙胺嘧啶等，因疟原虫产生耐药性，其效果大打折扣。另一方面，青蒿素及其衍生物（ARTs）虽为一线抗疟药物，但耐药性问题也逐渐凸显。恶性疟原虫 Kelch 13 基因（PfKelch13）突变、未折叠蛋白反应（UPR）激活、恶性疟原虫磷脂酰肌醇 3 - 激酶（PfPI3K）失调以及宿主免疫等多种因素，都参与了青蒿素耐药的过程。

在这样的背景下，寻找新的抗疟靶点和药物迫在眉睫。研究发现，泛素 - 蛋白酶体系统（UPS）在疟原虫的发育中起着关键作用，其中恶性疟原虫 DNA 损伤诱导蛋白 1（PfDdi1）在寄生虫生存、DNA 修复等方面至关重要，且与青蒿素耐药相关，有望成为新的抗疟药物靶点。

为深入探究青蒿素及其衍生物对 PfDdi1 的作用，来自南非夸祖鲁 - 纳塔尔大学、俄亥俄州立大学等机构的研究人员开展了相关研究。该研究成果发表在《Cell Biochemistry and Biophysics》上。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先，由于 PfDdi1 全长 3D 晶体结构尚未获取，他们从 UniProt 数据库检索其残基序列，通过 BLASTp 程序进行结构同源性搜索，筛选出合适模板构建模型，并利用 AlphaFold v2.0 预测蛋白结构，再通过预测局部距离差异测试（pLDDT）和预测对齐误差（PAE）进行验证。其次，运用 P2Rank 和 PUResNet 协议识别和验证 PfDdi1 的活性结合口袋。然后，从 PubChem 数据库获取青蒿素（ART）及其衍生物的 3D 坐标，经优化和能量最小化处理后进行分子对接、分子动力学（MD）模拟、结合自由能（BFE）计算、每残基能量分解（PRED）分析以及受体 - 配体相互作用分析等研究。

在结合模式方面，通过分子对接研究发现，ART、双氢青蒿素（DHA）、蒿甲醚（ARM）、蒿乙醚（AET）、青蒿酯（AMD）和青蒿琥酯（ATS）对 PfDdi1 均有抑制效果。DHA 结合亲和力最高，ARM 和 AET 最低。所有配体都与 PfDdi1 的 RVP 结构域结合，且结合在由特定环侧翼的开放深沟中，关键结合区域包含 Loop 1（GLN 266 - ILE 269）、Loop 2（ILE 323 - TYR 326）和 Loop 3（ALA 292 - GLY 294），这些区域可能是潜在的抗疟药物靶点。

在配体诱导的热力学分析中，研究人员进行了 200 ns 的 MD 模拟，对比了 PfDdi1 与各配体复合物系统和游离 PfDdi1 系统的结构稳定性、紧凑性、灵活性和疏水性。结果显示，DHA、ARM、ATS 和 ART 降低了 PfDdi1 的结构稳定性，AET 增加了其稳定性；ARM 使 PfDdi1 更刚性，AET 则相反；AMD 增强了其动力学稳定性，DHA 降低最多；ARM 增加了疏水性，AET 降低最多。

主成分分析（PCA）表明，不同配体诱导的 PfDdi1 构象变化不同。DHA 使原子运动最分散，AMD 最受限。动态交叉相关矩阵（DCCM）分析发现，ARM 存在最多的正相关原子运动，AET 存在最多的负相关原子运动。

结合自由能计算显示，ATS 与 PfDdi1 的结合自由能最低（-34.24±0.22 kcal/mol），是最理想的抑制剂，AET 则最差。PRED 分析表明，在所有 PfDdi1 - 配体复合物中，静电能贡献显著高于范德华能贡献。

受体 - 配体相互作用分析发现，所有配体的甲基环己烷核心都与 ALA 265 和 / 或 ALA 292 存在烷基相互作用，这是常见的结合模式。此外，不同配体与 PfDdi1 的相互作用网络存在差异，如 AMD 虽形成氢键但结合亲和力低于 ART 和 DHA，这凸显了疏水相互作用在稳定配体 - 蛋白复合物中的关键作用。

综上所述，该研究表明青蒿素及其衍生物对 PfDdi1 有较高的结合亲和力，能够诱导其构象变化，具有抑制 PfDdi1 的潜力。关键结合区域的发现为设计针对 PfDdi1 的广谱抗疟药物提供了重要靶点，也为开发选择性抑制剂指明了方向。不过，研究也存在一定局限性，如 AlphaFold 生成的静态结构无法体现蛋白质的动态特性，分子模拟不能完全反映蛋白质在生物环境中的复杂性，且缺乏实验结构数据验证。但总体而言，该研究为抗疟药物的研发提供了新的思路和理论依据，对解决青蒿素耐药问题、推动疟疾防治具有重要意义。