计算钓靶用于抑制剂的发现以及合成

计算钓靶用于抑制剂的发现以及合成

导语

计算钓靶(target fishing, TF)是一种能够使用靶标结构信息和生物数据库的数据来识别活性化合物生物靶标的计算方法。这种技术的发展由公共蛋白数据库中X射线结构数据的不断增长而得以推动。

确定化合物的生物靶标为设计药理活性或药代动力学性质改善的新衍生物提供重要的信息。

钓靶的主要限制是,仅提供源数据库中存在的潜在靶标,因为数据库只含有已发表的X射线晶体结构的蛋白质。然而,存储在PDB中的晶体学数据可以通过钓靶有效地利用,以便识别具有生物效应但缺乏药效学表征化合物的可能靶标。此外,钓靶可用于脱靶预测、药物重新定位、药物救援和多药理学研究等。

最近,研究人员报道了一系列大环脒基脲的体内功效和体外表征数据,其被证明对各种假丝酵母属物种有活性,包括耐药菌株。

 

这些分子的作用方式仍然是未知的,但是抗耐药菌株的生物测定证明,与唑类和大环内酯类相比分子靶标是不同的。此外,结构的微小变化导致活性的变化,表明化合物与特定的细胞结构如受体或酶的相互作用。为此,研究人员开发了一种钓靶流程,旨在根据几个等级因素来确定化合物的潜在靶标。

研究人员设计了一个计算钓靶的流程

1.  选择一组已经解析的蛋白-配体复合物晶体结构;

2.  通过将蛋白质与配体分离并通过能量最小化来放松系统来制备每个络合物;

3.  结晶配体与研究化合物的形状比较;

4.  研究化合物对接至蛋白晶体结构结合位点;

5.  根据形状匹配和对接的结果评分候选靶标;

6.  选择最高排名结构中可能的靶标。

基于上面的钓靶流程,结果排名前十五位的结构中,两个最具代表性的酶属于木聚糖酶和几丁质酶的家族。木聚糖酶是参与b-1,4-木聚糖降解,几丁质酶通过降解壳多糖的主要成分而参与真菌细胞壁的重塑。两种酶均属于糖苷酶超家族,但来自烟曲霉的几丁质酶B的三个晶体结构与天然化合物Argifin存在相互作用,看起来类似于研究的化合物。 因此,假设这种酶可能代表了研究化合物的可能靶标。

 

Argifin是粘帚霉真菌培养物的发酵产物。壳多糖是真菌细胞壁的主要成分;它是单体之间具有b-1,4键的N-乙酰葡糖胺(GlcNAc)的聚合物。 几丁质酶是关键酶,几丁质酶降解已经被证实为设计有效抗真菌感染的新治疗剂的有希望的靶标。此外,几丁质酶在昆虫中的抑制是在新农药生产中开发的一种机制。

研究化合物和同一系列的其它化合物进行了几丁质酶活性测定。

值得注意的是,所有测试的衍生物显示出Ki值低于50mM的酶抑制,证实几丁质酶是该系列大环脒基脲的主要靶标之一。

根据以上数据,设计能够以更高效力结合和抑制几丁质酶的新衍生物。基于化合物1和Argifin之间的形状相似性,对接姿态和晶体学数据的比较。大环部分和线性链在1和Argifin中都具有相似的取向,两种化合物与Glu177相互作用;然而,Argifin的脒基部分能够与Asp 175的羧基和Tyr 245的酚OH形成另外的两个相互作用。

基于研究和观察,研究人员决定将最好的几丁质酶抑制剂(化合物8)与Argifin末端脒基部分合并,增加与几丁质酶活性位点的相互作用改善其活性。

设计新化合物(化合物9)的合成:

针对绿色木霉菌(T. Viride)几丁质酶测试了化合物1-8以及优化的衍生物9,并显示出有效的酶抑制作用,IC50和Ki值(分别为0.68mM和0.22mM)比化合物8低50倍,证实了计算模型。

总结

研究人员使用计算钓靶方案成功地确定了抗真菌大环脒基脲的假定靶标,酶法测定证实了计算结果。基于选择的靶标,利用已知蛋白-配体复合物晶体结构设计并合成了新的几丁质酶抑制剂。生物活性实验验证了计算钓靶和设计的结果。

参考文章:

1. Maccari G, Deodato D, Fiorucci D, et al. Design and synthesis of a novel inhibitor of T. Viride chitinase through an in silico target fishing protocol[J]. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters, 2017.

2. Patel H, Lucas X, Bendik I, et al. Target Fishing by Cross‐Docking to Explain Polypharmacological Effects[J]. ChemMedChem, 2015, 10(7): 1209-1217.

3. Di Rosa M, Distefano G, Zorena K, et al. Chitinases and immunity: ancestral molecules with new functions[J]. Immunobiology, 2016, 221(3): 399-411.