摘要:本文以EGFR激酶共价抑制剂Afatinib为例,描述了如何用SPARK的共价药效团特征进行共价抑制剂弹头的结构替换(跃迁)。

一. 前言

之前在《Ligandscout案例 | 共价键结合药物的虚拟筛选》介绍过利用Ligandscout的共价药效团特征可以进行共价抑制剂的药效团识别与虚拟筛选,在该文中,Schulz R等人(2018 JMC)采用基于结构的方法识别了3C蛋白酶(3C Protease)共价键结合的3D药效团模型,对一个3000个化合物的数据库进行虚拟筛选发现3C蛋白酶共价键结合的不可逆抑制剂,最后通过骨架跃迁、结构优化发现了化学稳定的共价抑制剂。

SPARK的药效团约束也包含Covalent元素,因此也可以利用这个药效团元素进行共价抑制剂弹头的骨架跃迁。本文以EGFR激酶抑制剂Afatinib为例,演示如何对共价抑制剂的弹头(Warhead)进行片段替换。

二. 操作步骤

1. 起始化合物与弹头

起始化合物为EGFR抑制剂Afatinib(图1),其与EGFR Kinase的复合物结构可以从PDB 4G5J获取。从4G5J复合物结构可以发现Afatinib通过黄色高亮标记的那个C原子(图1)与蛋白的巯基共价结合。本文的目标是:用SPARK骨架跃迁技术发现可以替换图1阴影覆盖的片段、并具有共价结合的能力。

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图1. 起始化合物Afatinib以及替换区域(阴影)、共价结合的位点(黄色)

2. 共价结合的骨架跃迁

流程与方法同普通的骨架跃迁、大环化分子设计一样,参见《SPARK--骨架跃迁视频教程》:先选中替换区域(图2),点Next,直到替换参数设置完成。

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图2. 替换区域的选择

到了Set Constrains步骤,点击Pharmacophore下的Add按钮(见图3步骤1)。再用鼠标点击图1黄色高亮的双键碳原子以表明此处应该有原子与蛋白发生共价作用。在弹出的Pharmacophore constraint对话框里将Covalent勾选(图3步骤2),再点击OK(图3步骤3)。

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图3. 添加药效团约束

至此,共价片段的替换已经设置完毕。其它的数据库选择等等参数与普通骨架跃迁没有区别。这里我只选择了ChEMBL Common与very common两个片段库进行片段替换。

3. 部分结果展示

起始化合物的F取代衍生物(图4)被骨架跃迁设计出来,打分排名第三。SPARK可以追溯替换片段来源,可以发现该含F的片段来自化合物CHEMBL3357650(见图5)。

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图4. Afatinib的F取代衍生物(左:起始化合物Afatinib,右:设计的化合物)

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图5. Afatinib氟取代衍生物的片段来源自CHEMBL3357650

起始化合物Afatinib自身也被设计出来,排名第4。替换片段来自CHEMBL360979(图6)。

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图6. Afatinib自身被设计出来,片段源自CHEMBL360979

SPARK的骨架跃迁还设计出吗啉环取代的迈克尔加成片段,如图7所示,打分相当高。有兴趣的小伙伴们不妨试试。

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图7. 吗啉取代的迈克尔加成片段化合物

三. 小结

在这个实验里,SPARK设计了500个(预设值500)新的化合物,其中包含了部分已知的EGFR共价抑制剂或其衍生物。这说明SPARK的共价药效团约束可以实现共价抑制剂的弹头骨架跃迁、发现新的共价抑制剂弹头(Warhead)。

四. 相关主题

  1. Ligandscout案例 | 共价键结合药物的虚拟筛选
  2. Ligandscout教程 | 共价键药效团模型与虚拟筛选

五. SPARK试用