摘要：本文用Flare的QM计算与GIST水能量学计算分析了Parp1抑制剂HRS1167大环化设计。HRS1167的大环设计一方面稳定了结合构象，对活性有利；另一方面，大环氧原子对稳定的结合水1222进行了替换而对活性不利。两方面贡献互相抵消后的综合贡献是对活性不利，导致HRS1167的活性比比AZD5305稍差，IC50分别为19与3nM。

肖高铿/2023-11-23

前言

在公众号新药故事发表的《恒瑞的PARP1抑制剂HRS1167的药物设计》1分析了HRS1167可能的结构以及其分子设计策略。从公开的数据上看，如图1所示，WO 2022/247816 A1（以下简称专利7816）的实施例8具有优于AZD5305的选择性，因此是HRS1167的可能结构之一。

HRS1167

图1. HRS1167可能的化学结构式

专利7816实施例8是AZD5305的大环化设计，本文的主要目的是回溯性地用Flare的量子化学扭转角分析与水能量学特征分析来理解从AZD5305出发到HRS1167大环化的优化机会及其面临的挑战。

Flare QM扭转角分析发现AZD5305的优化机会

在前文中2，我们讨论了如何用Flare QM3的Torsion Profile来发现能量过高的两面角并用于解释相似分子的活性差异。我们可以用同样的方法来分析AZD5305的生物活性构象，从中发现高能的两面角作为亲和力优化的机会。

AZD5305的生物活性构象可以从与它相差一个芳香N原子的同系物共晶结构PDB 7ONT出发，用Flare编辑器简单替换一个原子后可得。然后用Flare QM的Torsion profile对吡啶-哌嗪片段的C-N键在B3LYP-D3BJ/6-311+G(d,p)理论水平进行扭转角分析，结果如图2所示。

在B3LYP-D3BJ/6-311+G(d,p)理论水平对吡啶-哌嗪片段的C-N键进行两面角分析结果

图2. 在B3LYP-D3BJ/6-311+G(d,p)理论水平对吡啶-哌嗪片段的C-N键进行两面角分析结果

结果表明，生物活性构象N-C两面角为-41°，经过几何优化后的两面角为-66°，两者能量相差大约1kcal/mol，这说明生物活性构象在能量上是不利的，因此采用大环化结构将活性构象稳定下来将有利于保持结合亲和力。

然而，与预期相反，大环化后的专利7816实施例8的IC50=19nM，是AZD5305（IC50 =3nM）的6.3倍，这说明在大环化稳定活性构象的同时引入了对活性不利的因素。

置换稳定的结合水1222抵消了大环稳定构象带来的益处

可视化分析PDB 7ONT的结合位点，如视频1所示，可以发现该结合口袋里填充了很多的水分子，这些水分子与蛋白、配体以及其它水分子形成氢键网络。尤其注意到HOH1222（红色球状氧原子），它不仅靠近配体的哌嗪环，也介导着水-水-蛋白的氢键网络。

视频1. ADZ5305对接到PDB 7ONT结合位点里的结合模式及其氢键网络，其中水1222的氧原子显示为红色球状

视频2显示了HRS1167对接到PDB 7ONT结合位点后的结合模式以及结合位点里的氢键网络，其中大环的氧原子替换了水1222，并与其它水发生氢键相互作用。因此，大环化除了稳定结合构象之外，还有涉及水1222的替换效应。问题是这个水的替换对结合有利还是不利？

视频2. 显示了HRS1167对接到PDB 7ONT结合位点后的氢键网络与结合模式

为了理解HOH1222的能量学特征，用Flare对PDB 7ONT的结合位点进行了GIST分析4，结果如图3所示，HOH1222不仅被高密度水覆盖（未显示），而且计算的水合自由能小于-2.0 kcal/mol。

PDB 7ONT的HOH1222是一个水合自由能小于-2kcal/mol的稳定水

图3. PDB 7ONT的HOH1222是一个水合自由能小于-2kcal/mol的稳定水

HRS1167结合模式（Flare docking对接计算）表明，大环上的氧原子刚好被水合自由能=-0.5kcal/mol的等值图覆盖，如图4所示。大环连接臂的氧原子替换了结合位点里的水分子1222，这意味着将在结合自由能上付出不低于2kcal/mol代价而对结合不利。

HRS1167大环的氧原子替换了PDB 7ONT的HOH1222

图4. HRS1167大环的氧原子替换了PDB 7ONT的HOH1222，被水合自由能=-0.5kcal/mol的等值图覆盖

小结

总的来说，Flare的QM计算与GIST水能量学计算可以帮助我们进一步理解HRS1167大环化设计。HRS1167的大环设计一方面稳定了结合构象，对活性有利；另一方面，大环氧原子对稳定的结合水1222进行了替换而对活性不利。两方面贡献互相抵消后的综合贡献是对活性不利，导致HRS1167的活性比比AZD5305稍差，IC50分别为19与3nM。

此外，处理稳定结合水的另一种方式是将它作为蛋白的一部分，设计配体与之发生相互作用。因此我认为这里还有优化的机会，并期待将来看到这样的Parp1抑制剂设计。

文献

  1. drugStory.2023-11-15.恒瑞的PARP1抑制剂HRS1167的药物设计.微信公众号新药故事.
  2. 肖高铿. 势能面扫描在Torsion Profile中的应用. 墨灵格的博客. 2020-01-30. http://blog.molcalx.com.cn/2020/01/30/qm-torsion-profile.html
  3. Flare QM. http://www.molcalx.com.cn/cresset/flare/flare-qm
  4. Flare GIST. http://www.molcalx.com.cn/cresset/flare/3d-rism-and-gist

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