文章來源：微信公眾號 - ComputArt計算有樂趣 2019-02-22

變構(gòu)藥物設(shè)計（allosteric drug design）是一種新興的藥物設(shè)計策略，通過靶向蛋白的變構(gòu)位點（allosteric site）設(shè)計調(diào)節(jié)劑來調(diào)控蛋白功能，這一類分子和天然的正構(gòu)分子（orthosteric ligand）沒有競爭關(guān)系，因而具有一些顯著的優(yōu)勢。雖然目前越來越多的變構(gòu)共晶結(jié)構(gòu)和變構(gòu)位點被測定，但大多數(shù)變構(gòu)分子仍然是隨機發(fā)現(xiàn)的。如何提高變構(gòu)藥物發(fā)現(xiàn)的準(zhǔn)確率是一大急需解決的問題。

變構(gòu)調(diào)節(jié)（allosteric regulation）作為生物體內(nèi)一種普遍存在的調(diào)控蛋白功能的方式，它是具有雙向性的。小分子結(jié)合在蛋白的變構(gòu)位點擾動周圍的殘基并將信號傳導(dǎo)至正構(gòu)位點（orthosteric site）從而改變蛋白的活性。同樣地，蛋白上的正構(gòu)位點在結(jié)合天然配體后也可以改變變構(gòu)位點的動力學(xué)分布。但是通過對變構(gòu)數(shù)據(jù)庫（ASD）的分析，許多變構(gòu)共晶是在沒有結(jié)合正構(gòu)分子的條件下解析出來的1。那么選取什么樣的結(jié)構(gòu)進行虛擬篩選才能提高變構(gòu)藥物發(fā)現(xiàn)的成功率呢？是沒有結(jié)合正構(gòu)分子的變構(gòu)共晶（apo structure）還是結(jié)合了正構(gòu)分子的變構(gòu)共晶（holo structure）？針對這個問題，上海交大醫(yī)學(xué)院張健課題組通過對6個典型的變構(gòu)蛋白的apo和holo結(jié)構(gòu)做了大規(guī)模的構(gòu)象采樣，同時結(jié)合對接分析，得出結(jié)論：如果正構(gòu)位點和變構(gòu)位點的距離低于5 ?，基于holo結(jié)構(gòu)來進行藥物篩選更合理。該項工作最近發(fā)表于Journal of Chemical Information and Modeling雜志上（J. Chem Inf. Model. 2019, 59, 597–604）2。

Fig 1 六種典型變構(gòu)蛋白的進化樹分析。

作者從ASD中選取6個分屬不同家族的變構(gòu)蛋白（TrpRS，MAPK，K-Ras4B，GlmU，MAO B，MIF），把刪除變構(gòu)分子的結(jié)構(gòu)作為holo狀態(tài)結(jié)構(gòu)，而同時刪除變構(gòu)和正構(gòu)分子的結(jié)構(gòu)作為apo狀態(tài)。首先他們通過分析模擬軌跡，發(fā)現(xiàn)6個體系中有4個可以觀察到結(jié)合正構(gòu)分子后變構(gòu)位點體積增大，有1個體系則是減小，另有1個體系則是由于兩個位點距離太遠沒有觀察到明顯差別。因此他們認為變構(gòu)位點的空間結(jié)構(gòu)會隨著正構(gòu)位點結(jié)合分子而發(fā)生改變。其次，他們對軌跡做了動力學(xué)關(guān)聯(lián)性（dynamical cross-correlation matrices）分析，有5個體系的holo結(jié)構(gòu)中的變構(gòu)位點和正構(gòu)位點之間的協(xié)同運動要明顯強于apo結(jié)構(gòu)。另1個體系沒有明顯變化。這些結(jié)果表明結(jié)合正構(gòu)分子可以改變變構(gòu)位點的動力學(xué)特征。最后，為了評估holo結(jié)構(gòu)中變構(gòu)位點結(jié)合小分子的親和力，他們把apo和holo結(jié)構(gòu)采樣后的構(gòu)象分別做層級聚類，選取5個具有代表性的結(jié)構(gòu)將變構(gòu)分子進行重對接分析，把和晶體結(jié)構(gòu)中變構(gòu)分子構(gòu)象最接近的模型來評估可重現(xiàn)性。其中有5個蛋白的holo結(jié)構(gòu)的對接模型要比apo結(jié)構(gòu)更接近于共晶結(jié)構(gòu)中構(gòu)象。因此在正構(gòu)分子結(jié)合的情況下，變構(gòu)分子能更準(zhǔn)確地結(jié)合到變構(gòu)位點。

Fig 2 變構(gòu)/正構(gòu)位點中心距離與變構(gòu)位點體積關(guān)系

通過上面的研究，作者推斷正構(gòu)位點結(jié)合分子引起的變構(gòu)位點的構(gòu)象變化的程度主要取決于兩個位點之間的距離，通過擬合變構(gòu)位點體積和距離的曲線建立了定量模型，曲線表明如果變構(gòu)位點和正構(gòu)位點的距離低于5 ?，變構(gòu)位點的構(gòu)象會隨著正構(gòu)分子的結(jié)合發(fā)生劇烈變化。而如果距離超過5 ?，則變構(gòu)位點構(gòu)象變化不大。

目前，雖然變構(gòu)藥物具有許多優(yōu)于傳統(tǒng)藥物（靶向正構(gòu)位點的藥物）的特點（選擇性高毒性低），但經(jīng)FDA批準(zhǔn)上市的變構(gòu)藥物只有11個，因此靶向變構(gòu)位點設(shè)計小分子還處于早期摸索階段。而選擇一個合理的變構(gòu)位點結(jié)構(gòu)是進行虛擬篩選前首要考慮的問題，也決定了是否能獲得有潛力的化合物分子。這項工作的意義在于提出了一個基本準(zhǔn)則，即在變構(gòu)位點和正構(gòu)位點距離小于5 ?時，利用結(jié)合有正構(gòu)分子的變構(gòu)共晶結(jié)構(gòu)來進行化合物篩選是更為準(zhǔn)確的。這一結(jié)論可以給從事基于結(jié)構(gòu)的藥物發(fā)現(xiàn)的研究人員提供依據(jù)。

參考文獻：

1. Shen Q., Wang G., Li S., Liu X., Lu S., Chen Z., Song K., Yan J., Geng L., Huang Z., Huang W., Cheng G., Zhang J. ASD v3.0: unraveling allosteric regulation with structural mechanisms and biological networks. Nucleic Acids Res. 2016, 44, D527-535. DOI: 10.1093/nar/gkv902
2. An X., Lu S., Song K., Shen Q., Huang M., Yao X., Liu H., Zhang J. Are the Apo Proteins Suitable for the Rational Discovery of Allosteric Drugs?J. Chem. Inf. Model.2019, 59, 597–604. DOI: 10.1021/acs.jcim.8b00735

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