虛擬篩選、分子對接及分子動力學模擬技術(shù)在 PROTAC 開發(fā)中的應(yīng)用

借勢咱們就來聊聊計算機輔助藥物設(shè)計 (CADD)，當計算機遇到 PROTAC……是否能在一定程度上縮短 PROTAC 藥物開發(fā)的周期，提高成功率呢？本期看點：虛擬篩選、分子對接及分子動力學模擬技術(shù)在 PROTAC 開發(fā)中的應(yīng)用！

蛋白降解靶向嵌合體 (PROTAC):
一種新穎的藥物設(shè)計策略，它是利用細胞內(nèi)的泛素-蛋白酶體降解機制來實現(xiàn)蛋白質(zhì)降解。PROTAC 技術(shù)相對傳統(tǒng)小分子藥物最主要的優(yōu)勢體現(xiàn)在針對不可成藥靶點藥物開發(fā)中，被認為是突破當前小分子藥物研發(fā)瓶頸最有希望的新技術(shù)之一。

 
計算機輔助藥物設(shè)計 (CADD):
利用計算機模擬和分子建模技術(shù)來預測藥物分子與生物靶標之間的相互作用，其主要方法包括虛擬篩選、分子對接、分子動力學模擬等。

Section.01
虛擬篩選
在 PROTAC 設(shè)計中的應(yīng)用

虛擬篩選是通過計算機模擬和預測的方法，在大量化合物數(shù)據(jù)庫中篩選出具有潛在結(jié)合活性的化合物，能夠大大加速藥物研發(fā)過程。靶蛋白配體（Ligand for Target Protein for PROTAC）作為 PROTAC 的導向基團，負責對靶蛋白的捕獲，因而需要有較高的配位能力與選擇性。

虛擬篩選技術(shù)在靶蛋白配體及 E3 泛素連接酶配體篩選中發(fā)揮重要作用。可以說虛擬篩選技術(shù)擴展了 PROTAC 技術(shù)的應(yīng)用。

虛擬篩選用于靶蛋白配體篩選

靶蛋白配體的篩選是 PROTAC 設(shè)計的第一步。靶蛋白的結(jié)合位點通常決定了配體的親和力和特異性。因此，了解靶蛋白的三維結(jié)構(gòu)是進行虛擬篩選的前提。目前報道的 PROTAC 所用的靶蛋白配體多是已經(jīng)報道的該靶蛋白的抑制劑，激動劑等。針對目前沒有相應(yīng)配體報道的靶蛋白，虛擬篩選技術(shù)結(jié)合后期的實體驗證實驗可以加速靶蛋白配體的篩選，降低篩選成本。

近日，中國醫(yī)學科學院藥物研究所劉曉輝課題組就利用了虛擬篩選和體內(nèi)外實驗成功獲得了親和分子#129，并進一步設(shè)計合成了一系列 PROTAC 分子。結(jié)果顯示，PT-129 能夠特異性地靶向降解 G3BP1/2，抑制應(yīng)激細胞中應(yīng)激顆粒的形成，并有效解體已存在的應(yīng)激顆粒。后續(xù)的藥理學研究表明，PT-129 可以通過促使應(yīng)激顆粒解體，阻斷 ATF4 在成纖維細胞與腫瘤細胞間的傳遞，顯著抑制了腫瘤細胞的增殖和體內(nèi)腫瘤的生長^[1]。

圖 2. 基于虛擬篩選和 SPR 的 G3BP1 蛋白配體篩選及 PROTAC 設(shè)計^[1]。

Section.02
分子對接
在 PROTAC 設(shè)計中的應(yīng)用

分子對接是分子模擬的重要手段之一，它依據(jù)小分子配體與蛋白受體作用的“鎖-鑰原理”，通過能量匹配、空間匹配和化學性質(zhì)匹配而相互識別形成分子復合物，是模擬配體小分子與受體生物大分子相互作用的一種技術(shù)方法。

配體與受體相互作用是分子識別的過程，主要包括靜電作用、氫鍵作用、疏水作用、范德華作用等。通過分子對接預測靶蛋白和配體分子間的結(jié)合模式和親和力，也在 PROTAC 設(shè)計中發(fā)揮著重要作用。

靶蛋白配體 Linker 附著位點分析

在 PROTAC 設(shè)計中，Linker 與靶蛋白配體的附著位點從根本上影響 PROTAC 降解活性和選擇性，當配體與靶蛋白的共晶結(jié)構(gòu)可用時，從這些高分辨率共晶結(jié)構(gòu)中識別出配體的溶劑暴露位置可以確定為 Linker 附著位點。因此，可以通過分子對接或分子動力學模擬技術(shù)分析配體與靶蛋白結(jié)合關(guān)系來確定合適的 Linker 附著點。

Yalin Tu 等科學家在基于 EZH2 抑制劑 EPZ-6438 設(shè)計 EZH2 PROTAC 時，通過分子對接分析 EPZ-6438 的嗎啉環(huán)處于溶劑暴露區(qū)，可以作為 Linker 附著位點^[2]，所以在后續(xù)設(shè)計中，用 PEG Linker  替換嗎啉環(huán)，進行后續(xù) PROTAC 設(shè)計，并獲得兩種有效的EZH2 PROTAC 分子，YM281 和 YM181。

圖 3. EPZ6438 與 EZH2 活性口袋對接圖^[2]。

PROTAC 結(jié)合活性分析

Gilberto P. Pereira 等科學家基于 LightDock 工具開發(fā)了一種高效預測與 PROTAC 兼容的蛋白-蛋白相互作用界面的方法，在對包含 13 個三元復合物晶體結(jié)構(gòu)的手動收集數(shù)據(jù)集進行基準測試時，該方法從結(jié)合結(jié)構(gòu)出發(fā)的準確率達到 92%，從未結(jié)合結(jié)構(gòu)出發(fā)的準確率達到 77%。該方法僅需提供 E3 連接酶和靶蛋白的單體形式的配體結(jié)合結(jié)構(gòu)，因而具有通用性、準確性和高效性^[3]。

圖 4. LightDock PROTAC 對接流程^[3]。

Section.03
分子動力學模擬
在 PROTAC 設(shè)計中的應(yīng)用

分子動力學（Molecular Dynamics, MD）模擬是一種基于牛頓力學，綜合了物理、數(shù)學和化學等多種學科的計算機模擬方法，可以依據(jù)當前分子體系的位置、速度和動能等信息，推測該體系未來的位置、速度和動能，從而揭示分子運動的客觀規(guī)律。通過計算機分子模擬，研究人員能夠在分子水平上理解生物大分子的運動與生物功能、蛋白-小分子之間相互作用機理。

PROTACs 的核心要素之一，便是要擁有細胞膜通透性，確保它們能夠順利抵達目標蛋白所在之處。然而，這一要求在 PROTAC 的設(shè)計過程中構(gòu)成了不小的挑戰(zhàn)。分子動力學模擬這一強大的計算機模擬技術(shù)，能夠深入探索分子的動態(tài)行為。通過 MD 模擬，可以精確分析 PROTAC 分子在細胞滲透方面的潛力，從而在 PROTAC 分子的初步設(shè)計階段就賦予其顯著的優(yōu)勢。

Vasanthanathan Poongavanam 等人就使用了核磁共振光譜和分子動力學模擬，深入了解三種具有相似結(jié)構(gòu)的靈活小分子 cereblon PROTACs，分析其在細胞滲透性方面表現(xiàn)出差異的原因^[5]。研究表明，在非極性環(huán)境中，PROTACs更傾向于形成低溶劑可接觸的折疊構(gòu)象，這一特性與它們的高細胞滲透性密切相關(guān)。鏈接子的化學性質(zhì)和靈活性對于 PROTACs 聚集由分子內(nèi)氫鍵、π-π 相互作用和范德華相互作用穩(wěn)定的折疊構(gòu)象是至關(guān)重要的。

通過此研究，研究人員得出結(jié)論，分子動力學模擬可用于在 cereblon PROTACs 的設(shè)計中前瞻性地評估細胞滲透性的排名。

圖 5. 對三種 PROTAC 的分子動力學模擬^[4]。 

目前研究人員已經(jīng)開發(fā)了幾種 MD 方法來模擬三元結(jié)構(gòu)，深入理解 PROTAC 的機制，從而促進新型 PROTAC 的合理設(shè)計。

Section.04
小結(jié)

PROTACs 藥物的問世，標志著藥物研發(fā)領(lǐng)域的一場革命，盡管其發(fā)展歷程僅有短短二十年，卻已展現(xiàn)出巨大的潛力與希望。然而， PROTACs 藥物的開發(fā)仍面臨著諸多挑戰(zhàn)：當前，PROTACs 的研發(fā)大多依賴于一種“試錯法”——即通過不斷地調(diào)整 linker（連接子）的長度、成分、附著位點，或是更換配體類型，以期在無數(shù)次的嘗試中偶然發(fā)現(xiàn)一種具有活性的分子。相信隨著計算機技術(shù)及人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，CADD 及 AIDD 相關(guān)技術(shù)一定會在藥物設(shè)計領(lǐng)域有著更大的發(fā)展！
 

[1] Dong T, et al. G3BP1/2-Targeting PROTAC Disrupts Stress Granules Dependent ATF4 Migracytosis as Cancer Therapy. J Am Chem Soc. 2025 Jan 8;147(1):446-461. 
[2] Tu Y, et al. Design, Synthesis, and Evaluation of VHL-Based EZH2 Degraders to Enhance Therapeutic Activity against Lymphoma. J Med Chem. 2021 Jul 22;64(14):10167-10184.
[3] Pereira GP, et al. Rational Prediction of PROTAC-Compatible Protein-Protein Interfaces by Molecular Docking. J Chem Inf Model. 2023 Nov 13;63(21):6823-6833. 
[4] Poongavanam V, et al. Linker-Dependent Folding Rationalizes PROTAC Cell Permeability. J Med Chem. 2022 Oct 13;65(19):13029-13040.