摘要：本文探讨了基于片段的药物发现（FBDD）面临的挑战，并以PNMT抑制剂为例，介绍了Cresset discovery的建模专家如何应用他们的深度专业知识，结合使用生物等排体替换和建模分析，对这些小的共晶结构片段进行生长操作，评估其对蛋白的静电互补性，并在蛋白质结合位点里分析蛋白-配体的相互作用。

作者：Martin Slater/24 April 2023
编译：肖高铿

前言

基于片段的药物发现（FBDD）是人们公认的推进创新药物设计的有效方法，并已用作开发全新、多样的苗头化合物的高价值技术。FBDD已为几种已批准的、进入临床研究阶段药物的开发做出了贡献，包括Vemurafenib、Venetoclax、Pexidartinib和Onalespib。

将诸如等温滴定量热法（ITC）、NMR、SPR、MS和X-衍射晶体学之类实验方法鉴定出来小的、弱亲和力的结合片段通过合并、连接和生长等方法转化为合适的配体是FBDD面临的一个挑战。这是药物化学经验和计算专业知识发挥重要作用的地方，也是获得专业软件解决方案发挥作用的地方。Cresset Discovery的建模专家运用他们深厚的计算知识和经验，探索和优化生物等排体置换，使用Spark1——一个经过验证的片段连接、生长和合并的最佳独立软件工具之一2——来对起始的先导化合物进行优先性排序。

识别蛋白靶标的片段结合位点

当通过核磁共振和X-衍射方法鉴定出片段时，蛋白靶标结合口袋是已知的。然而，如果通过SPR和ITC鉴定片段，则可能需要确定片段结合位点。Cresset Discovery的顾问应用口袋检测来识别和表征潜在的成药性结合位点3。

用FBDD设计PNMT抑制剂的案例

苯基乙醇胺N-甲基转移酶（PNMT）通过催化去甲肾上腺素的甲基化，参与中枢神经系统（CNS）肾上腺素（肾上腺素）的合成。靶向PNMT的治疗方法有望治疗多种疾病，包括血压控制、帕金森病、阿尔茨海默病和垂体激素分泌异常。

这是一个具有挑战性的药物靶标，因为已经解释的具有底物/抑制剂的共晶结构显示出封闭的活性位点（PDB 1HNN与3HCD）（图1A），并且没有apo晶体结构可用。此外，s-腺苷-l-同型半胱氨酸（AdoHcy）通常结合到晶体结构的辅酶（cofactor）结合位点，在没有AdoHcy的情况下去，得不到该酶结晶的结构。快速晶体结构浸泡法鉴定的片段与PNMT的X-衍射结构（PDB 3KPJ、3KPU、3KPV、3KPW、3KPY、3KQM、3KQS、3KQT、3KQV、3KQW、3KQO、3KQP、3KQQ、3KQY、3KR0、3KR1和3KR2，如图2A算例所示）可用来说明基于FBDD方法的基础4，Cresset Discovery的CADD科学家团队经常在项目中采用这种方法。

人类PNMT与一个片段以及s-腺苷-l-半胱氨酸（AdoHcy）共结晶结构

图1. A）人类PNMT与一个片段以及s-腺苷-l-同型半胱氨酸（AdoHcy）共结晶结构。B）说明如何在结合口袋里将片段连接在一起。蛋白结合口袋用静电互补性打分着色，绿色表示互补性好，红色表示互补性差。

在文献研究中，人们使用基于片段的筛选库来鉴定和然后获得片段的共晶结构。PNMT与片段共结晶需要用到s-腺苷-l-同型半胱氨酸（AdoHcy，图1A），其与辅因子位点结合。这些共晶的片段小库置换了去甲肾上腺素结合袋中发现的磷酸盐。

Cresset Discovery的科学家应用从头设计的专业知识，结合使用生物等排体替换1和建模3分析，对这些小的共晶结构片段进行生长操作，评估其对蛋白的静电互补性，并在蛋白质结合位点里分析蛋白-配体的相互作用。此外，片段作为配体设计的起点，通过设计的连接臂与AHdoHcy进行连接，以填充完整的配体辅因子结合口袋。

PNMT与片段共晶结构的一个例子

图2. A）PNMT与片段共晶结构的一个例子；B）使用s-腺苷-l-同型半胱氨酸指导片段在PNMT结合袋中生长；C）根据与蛋白结构的静电互补性对配体表面着色。

从起始配体开始，并针对一个或多个参比分子（在本算例中为AdoHcy）进行建模，Cresset Discovery的科学家绘制了蛋白质内同一口袋的不同区域。预先将起始分子和参比分子都在3D中相对于彼此叠合好。配体连接实验还可以从共晶的片段和AdoHcy作为两个起始分子开始，然后用不同连接臂连接。这会产生非常有价值的起始先导化合物，以加速用全新的FBDD配体来产生IP。

除了配体生长与连接之外，Cresset Discovery可以提供专业的解决方案来进行配体大环化、水分子替换，甚至生成片段数据集。

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  1. 了解Cresset Discovery都提供什么样的服务：http://blog.molcalx.com.cn/2020/06/27/cresset-discovery-service.html
  2. 了解Cresset Discovery服务流程：http://blog.molcalx.com.cn/2022/10/26/engaging.html

参考文献

  1. Spark™, Cresset®, Litlington, Cambridgeshire, UK; https://www.cresset-group.com/spark/; Cheeseright T., Mackey M., Rose S., Vinter, A.; Molecular Field Extrema as Descriptors of Biological Activity: Definition and Validation. J. Chem. Inf. Model. 2006, 46 (2), 665-676
  2. Matthew P. Baumgartner and David A. Evans, Side chain virtual screening of matched molecular pairs: a PDB-wide and ChEMBL-wide analysis, Journal of Computer-Aided Molecular Design 2020, 34, 953–963. https://doi.org/10.1007/s10822-020-00313-1
  3. Flare™, Cresset®, Litlington, Cambridgeshire, UK; https://www.cresset-group.com/flare/; Cheeseright T., Mackey M., Rose S., Vinter, A.; Molecular Field Extrema as Descriptors of Biological Activity: Definition and Validation J. Chem. Inf. Model. 2006, 46 (2), 665-676; Bauer M. R., Mackey M. D.; Electrostatic Complementarity as a Fast and Effective Tool to Optimize Binding and Selectivity of Protein–Ligand Complexes J. Med. Chem. 2019, 62, 6, 3036-3050; Maximilian Kuhn, Stuart Firth-Clark, Paolo Tosco, Antonia S. J. S. Mey, Mark Mackey and Julien Michel Assessment of Binding Affinity via Alchemical Free-Energy Calculations J. Chem. Inf. Model. 2020, 60, 6, 3120–3130
  4. Nyssa Drinkwater, Hoan Vu, Kimberly M. Lovell, Kevin R. Criscione, Brett M. Collins, Thomas E. Prisinzano, Sally-Ann Poulsen, Michael J. Mcleish, Gary L. Grunewald and Jennifer L. Martin, Biochem. J. 2010, 431, 51-61. https://doi.org/10.1042/BJ20100651