PROTAC连接臂的设计与评估

摘要：在这个实验中，我们使用Spark对已知的PROTAC PEG连接臂进行了生物等排体替换，以寻找新的、令人感兴趣的连接臂。我们发现了一些连接臂，它们象Protac 48一样与Brd4BD2-VHL复合物具有潜在相似结合作用以及相似静电作用。虽然这些结果没有经过生物学评估，但它们确实提供了与蛋白质复合物结合位点互补的、结构多样的连接臂。

作者：Jessica Plescia, Stuart Firth-Clark, Mark Mackey, and Tim Cheeseright
单位：Cresset, Cambridgeshire, UK
原文：Design and evaluation of new linkers in PROTACs

前言

在药物发现中骨架跃迁是一种非常有用的方法，已成功地用于苗头化合物与先导化合物的优化，以改善配体的活性和/或性质，也用来生成新的想法以克服与配体结构相关的新颖问题。最近，随着靶向蛋白质降解的重新兴起，骨架跃迁和生物等排体替换技术已经应用于PROTAC的设计，主要用来设计与感兴趣蛋白结合的配体或连接配体的连接臂。在这张海报中，我们使用骨架跃迁和生物等排体替换工具Spark¹以及最近注释的连接臂数据库²来设计和评估PROTAC的新连接臂。该方法的核心是详细地描述连接臂片段与感兴趣蛋白的静电相互作用，并使用该描述来对替换物进行搜索与排序。此方法不仅设计出已知的连接臂，而且还设计出全新的连接臂，它们都保留了三元复合物中的蛋白质-蛋白质相互作用。

背景

骨架跃迁工具Spark虽然最初是为小分子设计的，但也可以应用于PROTAC和PROTAC连接臂的设计。以产品为中心的打分函数使用起始PROTAC的静电和形状作为参考来确定最终PROTAC的相似性。为了说明这种生物等徘体替换功能的实用性，我们将使用Krieger等人³开发的PROTAC 48，其靶向溴结构域和末端结构域蛋白质，即用于降解溴域蛋白4（Brd4）的溴域1和2（Brd4^BD1/2）。特别是，PROTAC 48与Brd4^BD1/2-E3泛素连接酶VHL（von Hippel-Lindau肿瘤抑制蛋白）紧密结合，K_D = 4.3 nM。PROTAC 48与Brd4^BD2-VHL复合物的共结晶已经解释出来³，如图1所示。在这个实验中，我们将用新片段来替换PEG连接臂，以生成具有在生物等徘体意义上相似的PROTAC，但会远离有时会出现问题的PEG连接臂。

图1. PROTAC 48结合到BRD4^BD2-VHL复合物结构，氢键呈现为绿色。

方法

我们使用Spark的骨架跃迁工作流来实现自动设计潜在的新连接臂，具体的Spark工作流如图2所示。

图2. 用于获得新连接臂设计的Spark工作流。左：PROTAC 48的结构，其中要替换的连接臂片段以红色高亮显示。右：在Spark中可视化的四个最佳结果（紫色）。每个配体与Brd4^BD2-VHL复合物之间的氢键显示为绿色。

将PROTAC 48上的PEG链确定为要被替换的”骨架”。然后，用Spark从侯廷军课题组²的PROTAC数据库中搜索连接臂，以给出最终的PROTAC结构，该结构：(1)与48具有生物等排体意义上的相似性；(2)不会与周围的蛋白质发生冲突。图2显示了Spark计算的部分结果1、8、11和91。

结果

图3. 共晶Protac48以及Spark结果的MIP图，圆圈高亮显示的化合物为已有文献报道的Spark结果14与242。

在打分最靠前的250个Spark基于配体的搜索结果里面，不仅命中PROTAC 48的类似物，而且还命中结构多样的非PEG连接臂。尽管大多数排名靠前的结果都是PEG链或其类似物，但其中许多保留了它们的静电和形状相似性，同时也失去了与蛋白的相互作用。然而，四个最显著的结构多样性的设计也保留了与Brd4^BD2上His437的氢键相互作用，这四个设计分别是1、8、11和91，如图2所示。图3显示了每个PROTAC及其用专有的Cresset XED力场⁴计算的分子静电相互作用势（MIP）。尽管已知的PROTAC具有相似的K_D值和相似的结构，但它们的MIP表面差异很大。PROTAC 48在其连接臂周围的静电效应似乎比PROTAC 46和47具有更强的正静电势。另一方面，尚未有文献报道的结果与PROTAC 48具有更高的相似性，都具有更强的正静电势，尽管它们具有不同的2D结构，特别是三氮唑1和带正电荷的胺11。这种静电相似性表明，新的连接臂可能是原有连接臂有前景的替代品，特别是那些高亮显示的结果，它们的打分高于PROTAC 46，比如结果242。

结论

在这个实验中，我们对已知的PROTAC PEG连接臂进行了生物等排体替换，以寻找新的、令人感兴趣的连接臂。使用Spark，我们发现了一些连接臂，它们象Protac 48一样与Brd4^BD2-VHL复合物具有潜在相似结合作用以及相似静电作用。虽然这些结果没有经过生物学评估，但它们确实提供了与蛋白质复合物结合位点互补的、结构多样的连接臂。