1.2 GSK-3 (Glycogen synthase kinase 3)
GSK-3 Glycogen synthase kinase 3 是 一 種 絲 氨 酸 / 蘇 胺 酸 蛋 白 質 激 酶 (serine/threonine protein kinase) 可催化蛋白質上特定胺基酸的磷酸化反應。學術界 最初對於 GSK-3 系列蛋白質功能的了解在於，GSK-3 能磷酸化肝醣合成酶 (Glycogen synthase)，磷酸化會導致肝醣合成酶失去活性5，藉此機制調控細胞及人 體中血糖與肝醣的比例。而後，更廣泛的研究發現 GSK-3 可磷酸化細胞中超過 40
種蛋白質13, 27，可見 GSK-3 在細胞生理機制中的複雜及多樣性。哺乳類的 GSK-3
編碼於 GSK3α 以及 GSK3β 兩個基因中。近期的研究指出 GSK-3 與多種人體疾 病相關，包含第二型糖尿病 (Type II diabetes)、阿茲海默症 (Alzheimer’s Disease)、
發炎反應 (Inflammation)、癌症 (Cancer)、躁鬱症 (Bipolar disorder) ，目前我們合 作的實驗室特別針對 GSK-3β 的抑制劑運用在阿茲海默症新藥的研發上進行相關 研究。
1.3 阿茲海默症與 GSK-3β
阿茲海默症是一種慢性神經退化性疾病，目前全世界約有 2 千 5 百萬人受此 疾病困擾。此症主要造成漸進式的認知能力退化，如：記憶、方向感等能力的喪 失。阿茲海默症在病理上有二個主要能觀察到的特徵，其一為細胞外類澱粉蛋白 的沉積 (amyloid deposits) ，其二為神經纖維糾結 (neurofibrillary tangles, NFT) ， 而其中神經纖維糾結主要導因於 tau 蛋白的過度磷酸化 (hyperphosphorylation) 。 即藥物於人體中的吸收 (absorption)、分布 (distribution)、代謝 (metabolism)、排 泄 (excretion)、毒性 (toxicity)，而作用於中樞神經系統的藥物，因血腦障蔽 (blood–
brain barrier) 的阻隔需格外考量藥物穿透細胞膜的能力。此外，藥物對於多種蛋白
根據 Pharmaceutical Research and Manufacturers of America, PhRMA 的資料22， 如(附圖 1)中所示，一顆新藥的研發至最後上市，約需要 10~15 年的時間。而平
與 GSK-3β 相關的專利申請案件，從 2000 年的 6 件逐年上升至 2008 年的 136 件，
GSK-3β 抑制劑的開發及其治療潛力近年逐漸在學界以及製藥產業中受到重視。相
關專利中以與阿茲海默症治療相關為最大宗，其次分別為癌症與糖尿病23。
文獻中23，以 KinaseChemBioBase™搜尋學術文獻以及專利中報導的 GSK-3β 抑制劑分子，高達 45,520 個分子被認為具有抑制能力，但僅 8,193 個分子具有量 化的抑制能力資訊，被報導的分子中半數最大抑制濃度(half maximal inhibitory concentration, IC50)值大多落在 10 nM - 1μM 的範圍之間，僅少數約 12 個分子具有 較高的抑制能力 IC50 < 1 nM。作者分析抑制劑分子的構型，其中嘧啶(pyrimidine) 相關衍生物占最大的比例，其次則為吡啶(pyridine)相關衍生物。
近期文獻中8，報導了 2-(4 吡啶基)噻吩並吡啶酮(2-(4-pyridyl)thienopyridinone) 相關衍生物對於 GSK-3β 的抑制能力，抑制劑分子的 IC50 值介於 5 nM – 500nM 之間。作者使用 X 射線晶體學(X-ray crystallography)的方式分析結晶構型，探討其 中三個抑制劑分子與 GSK-3β 的結合模式(binding mode)。文獻中抑制劑分子與 GSK-3β 複合體的結晶構型於 RCSB Protein Data Bank10 資料庫中的 PDB code 為 3ZRM, 3ZRL, 3ZRK，相對應的抑制劑分子 Ligand id 分別為 ZRM, ZRL, ZRK，
分子構型如 Fig. 1.1。
1.6 研究目標
本研究期望以文獻中報導的已知 GSK-3β 抑制劑分子 ZRM 為基礎，進行小 部分官能基的改變，以熱力學積分分子動力學模擬(Thermodynamic Integration Molecular Dynamics Simulation, TI-MD)，預測變動官能基是否有助於提升小分子藥 物的抑制能力，為後續的生化實驗提供具有潛力的候選藥物。