片段和结晶添加剂是否与类药性配体有相似的结合

片段和结晶添加剂是否与类药性配体有相似的结合

 

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  基于片段的药物设计(FBDD)的成功取决于具有高亲和力、高选择性的先导化合物和弱亲和力的低分子量化合物(MW <300Da)的优化。通常,来自片段-蛋白质复合物的结构信息用于指导类药性分子的结合模式。晶体结构中含有非常丰富的结晶添加剂,如冷冻保护剂或缓冲组分经常被忽略。本研究的目的是研究蛋白质复合物中存在的与片段和添加剂相关的信息及与他们相伴的类药性配体结合模式的关系。

 

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  本研究对在药物发现中广泛受到关注且在PDB数据库中广泛出现的四类靶标:细胞周期蛋白依赖性激酶2,β-分泌酶1,碳酸酐酶2和胰蛋白酶,进行了结晶添加剂,片段,和类药性配体结合模式分析。本研究确定了共有630个独特的分子结合到催化键合位点,其中31个添加剂,222个片段和377个类药性配体。通常,研究独立的靶标、蛋白质-片段相互作用与蛋白-成药性配体相互作用的重要残基相似性。结晶添加剂能够显示出保守的结合模式,并在某些情况下重新定位重要的结合残基。  此外,该研究表明,来自片段和类药性配体的信息可用于重新定位对接模式以改善键合模式的预测 。

分子类(Molecule class)定义和数据集组成

  分析的关键步骤是配体类的定义。 特别是片段的定义已经成为许多讨论的主题。在这里,我们使用两个简单的规则来识别碎片:分子量(MW)低于300,重原子数低于19。仔细区分片段,结晶添加剂包括溶剂,缓冲剂和其他生物非相关剂及类药性配体。运用这些分子类,我们的数据集包含31种独特的结晶添加剂,222独特的片段和377种独特的类药性分子。

  为了验证所选择的数据集是否代表PDB中存在的片段和类药性配体,对一组分子描述符进行了主成分分析,将研究的四个靶标的分子集与所有的配体进行比较 、过滤。

结合模式比较

  结晶添加剂,片段和类药性配体之间结合模式的比较需要经过多步过滤,准备和分析蛋白质-配体复合物。

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  为了比较结晶添加剂,片段和类药性配体的相互作用模式,我们检测所有蛋白质-配体相互作用,包括发生在催化腔中的疏水性,芳香性,离子,金属和氢键相互作用。

 

 

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(x轴显示不同的相互作用类型,y轴参与配体相互作用的口袋残基)

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(不同分子类相互作用统计)

量化结合模式保守度

  提出分析的另一方面是可以提供关于片段/结晶添加剂和配体之间的结合模式如何保守的问题以及是否可以通过片段的性质来解释保守程度。 为了进行直接比较,我们确定了所有分子对,其中添加剂或片段是较大类药性配体的精确子结构。 对于四个目标,我们发现总共348个子结构对都结合相同的类药性口袋。

  我们考虑显示的保守结合模式的子结构对。 当检查共同的片段-配体相互作用时,在保守和可变结合模式片段之间观察到很大的差异。

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(不同靶标和分子集之间的键合模式保护性比较)

利用结合模式信息改善对接

  几项研究表明,结合模式信息可用于改善分子对接的性能,从而选择正确的结合模式。因此,我们问自己一个分子类的结合模式是否可以成功地用于重新确定另一类化合物的对接姿势。例如, 来自结晶添加剂和片段复合物的信息是否可用于预测类药性配体的结合模式。 此外,我们试图结合不同的分子类进行再打分。

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(片段对接再打分)

  总之,蛋白质-小分子复合物的结构信息可用于指导对接模式。 我们认为这种方法可用于片段和配体对接。 在一些片段的对接案例中,它们的对接对于FBDD是有意义的,因为它可以用于预测实验确定片段的结构类似物的结合模式,以及用于基于片段的虚拟筛选。

 

总结

  目前的研究中,与药物样配体相比,本研究对结晶添加剂和片段的结合模式与类药性配体进行了全面的对比分析。分子形状重叠和分子相互作用比较表明,与靶标无关,片段和类药性配体倾向于表现出相似的相互作用模式,蛋白质复合物中存在的添加剂信息在药物设计项目中也是有价值的。由于选择PDB库中高出现率的药物靶标,本研究能够建立大量而又多样化的分子,并发现具有保守和不保守结合模式的新的片段-配体对。因为选择的靶标已经得到很好的研究,我们能够验证我们的假设:结晶添加剂和碎片的相互作用模式类似于类药性分子的相互作用模式。此外,我们发现每个分子类的相互作用模式可以用来改善对接模式预测。我们认为,本研究是一个重要的概念证明(proof-of-concept ),可用于未来对新的无配体蛋白质靶标的研究。

参考:

  1. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jcim.6b00769