蛋白质晶体结构与药物发现(1)

蛋白质晶体结构与药物发现(1)

前言:

基于靶点的现代药物研究方法在很大程度上依赖于在分子水平上对所研究靶点的透彻了解。因此,结构生物学对药物研究产生了深远的影响。目前,蛋白质结构信息已被应用到临床前研究的各个阶段:从目标识别的初始阶段选择合适的体外试验进行设计和验证,选择合适的命中/先导发现策略,以及整个先导化合物优化阶段。结构生物学对药物开发的影响如下图所示。

然而,在药物设计中利用高度复杂的三维结构信息并不是一件轻松的工作,因为这些信息必须与其他条件相结合,例如化合物是否易于合成,化合物的ADME特性(吸收,分布,代谢,排泄特性),毒理学特性以及知识产权。

蛋白质结构信息不仅能阐明结构-活性关系(SAR),揭示结合模式和生物活性构象,揭示了新的结合口袋或变构结合位点,还打开了新的多样化的药物发现途径,如虚拟筛选,合理设计化合物文库,新骨架的从头设计(de novo)等等。

X射线晶体学, 以原子或接近原子分辨率破译生物大分子的三维结构,在结构生物学革命中发挥了重要作用。今天,特别是随着大规模结构基因组学的出现,以及临床相关药物靶标的出现,这场革命仍在取得重大进展。此外,蛋白质晶体学技术和方法的进步导致产生晶体结构所需的时间急剧减少,特别是在处理一系列蛋白质-配体复合物时。这些发展不仅能够收集到大量的结构性数据,而且还为“高通量”蛋白质晶体学在药物发现中的应用铺平了道路。

除了基于结构的药物设计中的经典用途之外,蛋白质晶体学现在被广泛应用于苗头化合物发现中,特别是在基于片段的药物筛选(Fragment-based screening)中

蛋白质晶体学可应用于任何具有足够分子质量的大分子靶点,不论它们的大小和复杂程度如何。不幸的是,许多内在膜蛋白和受体如G-蛋白偶联受体(GPCR)和离子通道不能满足这些先决条件,而这类蛋白构成了非常重要的一类药物靶标。

蛋白质晶体学的研究现状:

目前,大约有5万种晶体结构可以从蛋白质数据库免费下载,此外在制药公司工作的化学家可以使用数百到数千种专有结构。而且,这个晶体学数据的范围正在不断扩大。Perutz测定血红蛋白结构,是其终身努力的成果。

在20世纪80年代初首次投资解析蛋白质结构的X射线设备时,该技术仍然非常耗时,且不便操作。过去三十年见证了一系列重大技术突破:强大的X射线源(第一代,第二代和现在的第三代同步射线源,以及超亮旋转阳极发生器),具有快速读出功能的2D探测器以及冷冻晶体学的出现),用于自动化晶体安装和数据采集的机器人系统,新的相位方法,性能超强的自动化数据处理软件,以及更强大和更经济的计算机。今天,完整的衍射数据集的测量仅需要在同步加速器束线上进行几分钟,并且不会超过几个小时。

更重要的是,在已知3D结构的蛋白质的情况下,对应于不同配体的衍射数据组的处理和对应的差异电子密度图的计算可以实现完全自动化并且在几个CPU时之内完成。

PDB文件使用技巧

晶体结构存储在称为“PDB”文件的格式化文本文件中。这些文件可以从RCSB(http://www.pdb.org)蛋白质数据库中免费下载。有关如何搜索PDB的信息可在PDB主页上找到。

技巧1:下载一个完整的生物单元

PDB文件通常只包含构成晶体不对称单元的结构部分。不对称单元可以仅包含一部分功能生物分子,例如同型二聚体的单个亚基。在这种情况下,由于观察单个亚基而得到的信息可能是非常具有误导性的,因为结合位点或活性位点有时位于两个或更多个亚基之间的界面处。尽管可以在晶体学软件的帮助下生成完整的生物单元,但也可以直接从PDB下载相应的文件(Download files → Biological unit)。

技巧2:检查不对称单位的所有分子

有时,晶体的不对称单元含有多个目标配体。在这种情况下,生物单元的单个亚基可以单独下载,也可以全部一起下载到原始的PDB文件中。由于晶体的接触面不同,配体或辅酶的结合构象不同,或由于不同的构象状态,这些分子之间可能存在显着差异,因此检查它们是非常重要的。

技巧3:不要只看3D模型 – 检查实际的实验信息:电子密度图。

电子密度图包含更多的信息,甚至在有经验的晶体学家进行细致的改进之后,可能会被准确地纳入原子模型。 例如,一些替代构象可能没有被建模(注意许多图形程序忽略了其他构象并且不显示它们!)或者配体分子的某些部分可能是无序的,但是已经包括了完整分子的坐标。通过将电子密度图与原子模型一起显示,可以揭示这些和其他重要细节。对于已经用PDB解析的结构以及相应的衍射数据,电子密度图文件可以从Uppsala电子密度服务器下载http://eds.bmc.uu.se/eds

技巧4:浏览你的PDB文件以了解更多其结构信息

尽管PDB文件中编码的3D结构最好使用图形程序进行可视化(一些交互式查看器可从PDB网页直接访问),但请记住,PDB文件是简单的文本文件,也可使用文本编辑器进行显示。通过PDB文件浏览可以揭示一些重要的信息,特别是用于推导结构(NMR,X射线或模型)的方法,一些数据统计,氨基酸序列以及关于残基的建议,蛋白质残基编号和相关辅酶,配体和溶剂分子等等。

参考文献:Chapter 30 Protein Crystallography and Drug Discovery. In The Practice of Medicinal Chemistry, 3rd Ed, 2008