将水与静电分析作为基于结构设计的核心—

摘要：本文介绍了两个将水与静电分析作为基于结构设计核心的应用案例。一个算例来自TYK2 JH2抑制剂，GamePlan的取代假设可以解释NDI-034858四元环甲氧基对活性的影响。另一个算例是BCL6抑制剂，GamePlan的取代假设可以解释6个化合物的SAR。

作者：肖高铿/2022-12-29

将水与静电分析作为基于结构设计的核心

分子识别研究中的基本挑战之一是理解并利用负责紧密结合和专一性分子相互作用的化学驱动力。在基于结构的药物设计等实际分子设计应用中，先导化合物通常作为优化的起点，对化合物（或配体）在靶标蛋白（或受体）的背景下进行理性修饰，以提高其药理学参数，包括活性、选择性与成药性。

紧密结合通常需要几何和理化性质互补性，这种互补性的质量通常反映在范德华力和静电对结合的贡献上。然而，虽然范德华力对结合的贡献通常是非常有利的，但净静电贡献通常是中性的甚至有些不利。这是因为在相互作用界面上蛋白-配体静电相互作用是因失去它们的未结合状态与溶剂相互作用而导致去溶剂化惩罚。也就是说，我们不能将在水溶液中发生的蛋白-配体结合仅视为一个结合反应。这个过程不但将新的分子间相互作用引入到受体和配体之间；而且还是一个交换反应，其中一些非结合状态的受体-溶剂和配体-溶剂的相互作用丢失，相应在复合物中获得新的受体-配体相互作用。因此，配体优化的任务通常不仅涉及形状或静电互补性的改进，并且需要对结合位点内配体周围水进行分析以获得最佳设计。在基于结构的设计中，形状互补相当直观且容易理解，相比之下静电与水却并不直观且难以想象，因此我们常常强调将水与静电分析作为基于结构设计的核心。你可以在我们博客上找到非常多静电与水分析相关的讨论。

之前已经介绍过^[1]，SZMAP可以分析配体周围水的能量学信息，为基于结构设计优化配体的提供重要信息；SZMAP还能被GamePlan调用，得出优化配体的假设，呈现为基于水能量学的特定取代基几何形状。本文以TYK2 JH2与BCL6抑制剂的结构优化为例，用GamePlan对结合位点进行分析，从一个苗头化合物出发，生成取代假设，以解释GamePlan如何为配体的优化提供创意。

在TYK2 JH2抑制剂NDI-034858发现中的应用

在《骨架跃迁”重现”TYK2 JH2抑制剂NDI-034858的发现》博客中^[2]，我们分享了以BMS的6o（图1）为起点化合物进行骨架跃迁，实现Nimbus的NDI-034858（图1）设计。

图1. NDI-034858及其相似化合物的化学结构

在骨架跃迁虚拟筛选中，排名第2的关键骨架即为NDI-034858的骨架，如图2所示。

图2. 化合物 Rank2

OpenEye的BROOD作为经典的骨架跃迁工具，当然也可以轻而易举地得到Rank 2化合物。在我的一个BROOD计算实验里，Rank 2化合物以排名第一的方式出现在BROOD的结果里，如图3所示。

图3. Brood的骨架跃迁实验结果

在Rank 2环丁烷2位引入甲氧基可以提高靶标选择性，这主要是因为该位置靠近JAK1 JH2的ILE597，会增加立体冲突而降低对JAK1的亲和力。而在TYK2 JH2结合位点，该环丁即2位对应的残基为VAL603，具有更大的空间，甲氧基的加入甚至会提高活性。这一点，可以从接下来的GamePlan基于结构设计方法中得到足够的提示。

将Rank2对接到6NSL的蛋白结合位点中，然后用GamePlan生成对结合亲和力有利的取代假设，结果如图4所示：在环丁烷2位的氨基反式位置上有两个对结合亲和力有利VDW取代假设。

图4. Rank2的VDW取代假设

其中粉红色的原子与键表示可以引入新原子的位置，可以达到两根键的长度。显而易见，甲氧基是这个取代假设的完美实现，因此引入甲氧基对活性的提高将是有利的。

图5. Rank2的VDW取代假设与TYK2 JH2结合位点比较

NDI-034858的选择性是通过TYK2与JAK1的JH2结合位点空间差异来实现的。截止今日，在PDB里公开的JAK1结构里，仅PDB 4L00与4L01两个JAK1结构包含JH2结构域，在本文中如果没有特别说明，JAK1 JH2的结构是指PDB 4L01。将VDW假设与TYK2 JH2的结合位点一起比较，如图5所示，可以看到立体空间充裕，其中绿色球棍显示的残基为Val 603；而与JAK1 JH2结合位点(PDB 4L01)比较，如图6所示，可以看到VDW假设靠近灰色球棍显示的ILE597，甲氧基将与之发生立体冲突，因而降低对JAK1的结合亲和力。

图6. Rank2的VDW取代假设与JAK1 JH2结合位点（PDB 4L01）比较

总的来说，GamePlan基于结构的方法生成了在环丁烷基2位（氨基的反式位置）引入两个VDW原子的取代假设：不仅可以提高与靶标TYK2 JH2的结合亲和力，而且可以提高对JAK1 JH2的选择性，而甲氧基是该取代假设的具体实现。GamePlan基于结构的设计假设可以提供非常直观的配体结构优化指导，可以与Hit Expander联用，直接从GamePlan假设从发获得目标化合物NDI-034858，具体参见骨架跃迁”重现”TYK2 JH2抑制剂NDI-034858的发现。

生成BCL6抑制剂的取代假设，理解SAR

深势科技微信公众号（2022-11-24）文章《Uni-FEP辅助BCL6抑制剂优化（附体系准备避坑Tips）| 靶点“探月”计划》分享了用FEP方法预测6个BCL6抑制剂（图7）活性结果。

图7. 6个BCL6抑制剂的化学结构，图片来自深势科技公众号

化合物10是其中活性最低的（见表1），其它化合物可以看成是对化合物10的7元杂环取代基的结构优化。

表1. 6个BCL6抑制剂的活性

鉴于PDB 7OKM具有完整的设计单元，因此将化合物10对接到7OKM的结合位点，并用GamePlan生成取代假设。其中，极性取代假设如图8所示，以化合物10为起始分子，给出的引入亲水基团对活性有利的修饰，这可以解释化合物7的七元环羰基的作用。

图8. 极性（亲水）基团取代假设：极性取代对活性有利区

图9则给出了VDW或非极性取代假设，即引入VDW或非极性基团对活性有利的取代方式，显而易见的，化合物1、9a、12a、13a是该假设的具体实现，可以解释比化合物10活性强的原因。

图9. VDW或非极性取代假设：引入VDW或非极性基团对活性有利区

总的来说，用GamePlan对化合物10周围的水分子位置与稳定性进行分析而得到是配体修饰假设设计出了潜在活性更好的化合物，并可以用来理解该系列化合物的SAR，进一步证明用GamePlan是非常适合于用来指导新分子的设计。

当然，化合物的活性高低除了与溶剂有关系之外，还跟化合物与结合位点的3D互补性有关系，即与结合位点的形状与静电互补性^[3,4,5]。如图10所示，化合物1（左）与9a（右）具有非常相似的形状，但是化合物1比9a在二氟取代处具有更好的静电互补性：化合物1在该处的表面为绿色，而化合物9a在该处为红色。这种静电互补性差异可以解释1与9a的活性差异。