药物设计中的分子动力学

药物设计中的分子动力学

导语

分子动力学(MD)模拟是基于结构的药物设计的有用工具。一些情况下,在对接之前已经进行了蛋白质靶标的MD模拟以产生与晶体结构不同的可用蛋白质构象异构体。此外,在对接后进行MD模拟,评估命中化合物的预测结合模式作为最终在计算中和引导化学合成用于命中优化的过滤器。

 

1.MD作为分子片段映射到结合位点的工具

研究人员提出了MD作为工具分析蛋白质与小分子的结合自由能表面和结合途径。由于可用的晶体结构和结合亲和力的测量,研究人员将MD应用于FKBP的肽基脯氨酰顺反异构酶和六个配体之间的非氢原子。研究人员通过色氨酸荧光猝灭测定法测得FKBP的亲和力在高μM至低mM范围内。对于每个配体产生了结合过程的构象空间网络。

第一步中,沿着多个轨迹保存的相对位置和方向根据一组分子间距离进行聚类。集群被认为是网络的节点,并且在MD模拟期间观察到这些集群之间的直接转换是网络的链路。有趣的是,网络分析揭示了以不同的分子间氢键和疏水接触为特征的多种结合模式。此外,解离动力学显示单指数时间依赖性,这表明完全解离的屏障显着高于不同结合模式之间的屏障。比较实验和模拟方法是有启发性的,用于分析片段与蛋白质结合的上述生物物理技术在时间和空间分辨率方面具有局限性。相比之下,MD模拟在原子细节水平上产生了自由能表面和结合途径的完整图像。

2.通过MD选择构象异构体

蛋白质靶标的晶体结构表示折叠状态下的许多状态之一。大多数情况下,折叠状态的整体拓扑在其子状态中是保守的,但是在结合位点中甚至单个侧链的不同方向可以显着影响对接结果。
McCammon小组开发了一种方案来解决对接中的蛋白质柔性:
首先,对载脂蛋白的MD模拟进行广泛构象空间采样。
第二阶段涉及到一个大型MD系综帧的对接。
在方案的初始之后的组合对接发现了几种潜在的抑制剂,这不可能通过对接原始的晶体结构获得。

案例

为了选择用于高通量对接的西尼罗病毒非结构3蛋白酶(NS3pro)的结构,将三个分子片段(苯、甲基胍和2-苯基咪唑啉)放置在100个帧中,运行MD模拟。使用苯,因为它是小分子药物中最常见的环,且NS3pro活性位点的表面具有负静电势;基于已知NS3pro抑制剂的信息,故使用其他两个带有正电荷的片段。选择对三个片段都非常有利的碎片多样性集合对接到MD帧中。经过过滤和目视检查后,在体外仅测试了5个分子,其中2个显示出低微摩尔的亲和力。重要的是两种活性化合物可以对接到晶体结构中,但是它们没有通过过滤器,换句话说,它们在MD帧的结构中是阳性的,在晶体结构中是阴性的。

3.通过MD诱导契合(MD-IF)准备结合位点

研究人员设计了MD协议采样与晶体结构不同的蛋白质构象。
这些构象揭示了天然配体或底物的结合位点中活性位点侧链或一些口袋中较大孔的侧链取向。另外,通过已知抑制剂的信息,使用来自载脂蛋白靶标的MD模拟的结构整体不会偏向于可能导致完全新颖的抑制剂。

案例

蛋白激酶中的ATP结合位点位于催化结构域的两个叶片之间,特别是在活化环、富含Gly环和一些侧链。小分子抑制剂可以促进环和侧链的置换,这种重排效应形成的口袋称为变构位点,其接近ATP结合位点,且在许多有效的选择性酪氨酸激酶抑制剂中被疏水部分占据。最近的一项研究中,通过MD产生了酪氨酸激酶EphA3活性位点的诱导拟合,以适应不能停靠在EphA3晶体结构中的已知II型抑制剂。MD诱导拟合(MD-IF)结构的MD帧用于大约175,000个化合物药效团定制的化合物库的高通量对接,其在体外测试的12个分子中产生3个活性物质,命中率为25 %。重要的是EphA3激酶的ATP结合位点中环的诱导位移和Tyr742侧链的重新取向不能通过常规的能量最小化来实现。

4.预测结合模式的MD验证

有两种类型的MD用于验证通过对接获得的结合模式:
第一种,在高吞吐量对接和排名之后,使用MD模拟作为最终的过滤器。这种方法本质上是平行的,因为对于一组候选配体运行独立的MD模拟,并且可以并行地分析轨迹。
第二种使用活性化合物的MD模拟作为指导化学合成以进行命中化合物或者先导化合物的优化。当复合物晶体结构不可用时,MD采样获得的原子信息特别有用。

案例

研究人员进行了基于片段的高通量对接筛选,以发现与BRD4第一个溴结构域中乙酰赖氨酸结合位点竞争的小分子。从665,184个市售分子的化合物库开始,近5000种化合物在预测结合能和配体效率的过滤器中保留下来。依据命中化合物的姿势,将55个具有不同锚定片段的化合物进行多次MD模拟进入BRD4的第一个溴结构域,以评估主要的结合相互作用。MD模拟显示,一些选定化合物的结合模式不稳定,且该信息用于减少体外验证的化合物的数量。最后,仅购买了24种化合物,其中4种化合物在单位数量级范围内表现出亲和力。研究人员已解析测试抑制剂与BRD4第一个溴结构域的复合物晶体结构,其中两种抑制剂,通过对接和MD预测的结合模式与晶体结构中的结合模式相同。

5.MD揭示已知药物和天然配体的结合模式

研究人员已经采用MD模拟来再现在晶体结构中观察到的配体-蛋白质结合模式,以及使用MD来阐明其结合模式未知的药物作用机制。此外,MD模拟也用来揭示天然配体到表观遗传靶的结合模式。

案例:JAK2激酶抑制剂ruxolitinib和SAR302503的结合模式

激酶抑制剂结合模式的原子水平信息非常有助于解释其作用机制、分析其特异性和可能的抵抗机制。此外,还可用于优化化学衍生物以提高效力和特异性。Ruxolitinib和SAR302503是用于治疗骨髓恶性肿瘤酪氨酸激酶JAK2的两种强效抑制剂。
然而,他们对JAK2的结合模式尚未有报道。最近,研究人员通过多次MD模拟确定了这两种抗癌药物的结合模式,抑制剂以其活性构象靶向JAK2的ATP结合位点。MD模拟结果表明,Ruxolitinib的双环支架与JAK2的铰链区域有两个持久的氢键。
MD模拟预测的SAR302503的结合模式由铰链区域中的氨基嘧啶支架和Leu932的骨架极性基团之间的两个氢键稳定。通过MD模拟获得的结合模式在原子细节上解释了体外观察到的抗性引起点突变的作用。此外,它们作为用于解释预期在用这两种JAK2抑制剂治疗的患者中出现的突变的模板非常有用。

总结

药物相关蛋白质靶标在其载脂蛋白状态与配体复合物的全原子MD模拟在高通量对接的开始和最后阶段提供了有用的信息。载脂蛋白结构的显式溶剂MD模拟正在变得越来越频繁地选择一个或多个帧用于对接大型化合物库。在排名的最后阶段,从预测结合模式开始的MD模拟用于对命中化合物的计算验证。此外,原子MD模拟已经提供了对抗病毒药物地瑞纳韦机制的理解;有助于解释在临床中使用的两种激酶抑制剂作为抗癌药物的选择性;并且已经揭示了乙酰赖氨酸具有比在可用的晶体结构中观察到的更多的替代结合模式。所有例子表明,MD的应用将在未来的药物设计中发挥更重要的作用。通过高通量对接鉴定有效抑制剂有三个主要障碍:化合物库非常小的化学空间、用于评分的近似值和使用刚性蛋白质结构。本文中综述的MD方案和未来基于MD计算筛选方法的发展将有助于消除后两种障碍。

参考资料

1.       Zhao H, Caflisch A. Molecular dynamics in drug design[J]. European journal of medicinal chemistry, 2015, 91: 4-14.

2.       Siu M, Pastor R, Liu W, et al. 2-Amino-[1, 2, 4] triazolo [1, 5-a] pyridines as JAK2 inhibitors[J]. Bioorganic & medicinal chemistry letters, 2013, 23(17): 5014-5021.

3.       Zhou T, Georgeon S, Moser R, et al. Specificity and mechanism-of-action of the JAK2 tyrosine kinase inhibitors ruxolitinib and SAR302503 (TG101348)[J]. Leukemia, 2014, 28(2): 404.