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本研究包括两部分工作，第一部分为色氨酸2，3-双加氧酶的结构与功能研究，第二部分为特异性抑制原核生物色氨基酰-tRNA合成酶的吲哚霉素衍生物的设计研究。色氨酸2，3-双加氧酶(tryptophan2，3-dioxygenase，TDO)催化色氨酸吲哚环氧化分解生成N-甲酸基犬尿氨酸(N-formylkynurenine，NFK)。该反应是犬尿氨酸途径的第一步反应和限速步骤。最近的研究发现，TDO在多种肿瘤细胞中表达，导致肿瘤细胞的存活和迁移能力的提高以及免疫系统对肿瘤细胞的应答能力受到抑制。TDO对肿瘤细胞和免疫抑制产生的效应使其成为一个新的抗肿瘤药物靶标。我们解析了果蝇来源的TDO(DmTDO)与辅因子血红素的复合物的晶体结构。DmTDO以同源四聚体形式存在，单体由N-端片段、大结构域和小结构域三部分组成。与原核生物来源的TDO相比，DmTDO具有两段主要的插入序列。第一段插入序列参与了血红素结合位点的形成，第二段插入序列形成了小结构域的主要部分。DmTDO特有的小结构域与另一个单体的活性位点具有相互作用，在催化反应中发挥功能。对DmTDO-heme-Trp复合物模型的分子动力学模拟的结果表明，DmTDO采取了与原核生物来源TDO类似的诱导-契合机制结合底物。在底物结合的过程中，活性位点的两段保守的柔性loop发生构象变化，导致活性位点从开放构象转化为关闭构象。对相关突变体的酶学性质研究进一步证明了参与识别和结合血红素和底物的关键氨基酸残基的作用。此外，对DmTDO与竞争性抑制剂LM10的复合物的结构模型的分析为抑制剂的进一步改造提供了有用的结构信息。 本研究结果揭示了DmTDO识别底物和催化的分子机制，也为TDO抑制剂的研究提供了有用的结构信息。随着细菌对抗生素产生耐药性问题的日益严重，人们对新型抗生素的研发产生了浓厚的兴趣。氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase，aaRS)是一类进化上起源很早的酶家族，在蛋白质的翻译过程中负责催化将特定的氨基酸转移到对应的tRNA分子上，保证了基因的遗传密码被正确翻译为执行生物学功能的蛋白质。因此，aaRS被认为是研发新型抗生素的很好的靶标。吲哚霉素能够很好地抑制细菌来源的色氨基酰-tRNA合成酶(tryptophanyl-tRNAsynthetase，TrpRS)的酶活，对一些细菌具有抑制作用。本实验室在前期研究中解析了大肠杆菌TrpRS(EcTrpRS)与吲哚霉素复合物的晶体结构。结构分析发现吲哚霉素的恶唑烷酮环是吲哚霉素对原核生物TrpRS的高亲和力和高选择性的重要原因。结构分析显示吲哚霉素的吲哚环部分和底物结合口袋之间还有较大的空间。我们在吲哚环的第5位或者第6位引入了一个新的取代基团，包括羟基、氨基和卤素原子。EcTrpRS对吲哚霉素5位取代衍生物的亲和力具有一定程度的影响（升高或降低），而对吲哚霉素6位取代衍生物的亲和力则严重下降。对结合不同5位取代衍生物的结构研究发现，这些5位取代衍生物在底物结合口袋中的位置和吲哚霉素的位置十分相似。5位取代的氨基和卤素原子与Pro145的主链羰基形成了一个新的氢键。但是，这些取代基团也导致衍生物的结合位置相对于吲哚霉素的结合位置发生了细微的移动，进而在某些情况下破坏了吲哚霉素部分和底物结合位点之间原有的氢键相互作用。6位取代基团可能与Val144的侧链发生空间位阻，导致6位取代衍生物的亲和力严重下降。然而，5位取代衍生物对细菌的抑制能力却明显低于吲哚霉素。研究表明，吲哚霉素可能通过细胞膜上的色氨酸转运蛋白主动转运进入细胞，因此，对吲哚环部分的修饰可能影响了色氨酸转运蛋白对吲哚霉素衍生物的特异性识别和转运。