摘要：细菌DNA促旋酶是一种新型抗菌药的靶标，为了发现全新的抑制剂，作者采用了两步设计策略：（1）使用LigandScout分析CBN与G24蛋白之间的相互作用，构建药效团模型进行虚拟筛选，然后用分子对接方法进一步筛选；（2）构建命中化合物的集中库，采用对接方法进行筛选。测试确证了几个化合物具有DNA促旋酶B型的抑制活性。

MatjažBrvar, Andrej Perdih, Miha Renko, Gregor Anderluh, Duš an Turk, Tom Solmajer. Structure-Based Discovery of Substituted 4,5’-Bithiazoles as Novel DNA Gyrase Inhibitors. Journal of Medicinal Chemistry. 2012, 55, 6413-6426.

摘要

细菌DNA促旋酶是一种久经检验并得到确认的新型抗菌药的靶标。它对细菌的DNA复制周期起到关键作用，却不存在于哺乳类动物。这使得细菌DNA促旋酶成为了发展具有选择毒性的抗菌药物的良好靶标。DNA促旋酶B亚型的ATP结合位点非常重要，并已有广泛研究。为了发现细菌DNA促旋酶B亚型ATP结合位点的全新抑制剂，作者采用了两步设计策略：第一阶段中使用LigandScout软件分析CBN（一种香豆素类抑制剂）与G24蛋白（包含ATP结合位点的N端最小的片段）之间的相互作用，构建药效团模型进行虚拟筛选，然后用分子对接方法进一步筛选；第二阶段，对第一阶段识别出来的4,5’-二噻唑结构类型构建集中库，采用对接方法进行筛选。抗菌活性测试结果确证了几个化合物具有DNA促旋酶B型的抑制活性，对其中最好的抑制剂还采用SPR、MST、DSF及X-ray等多种实验技术进行结构表征。

计算步骤

阶段一

1. 用LigandScout基于结构的方法，分析蛋白-配体相互作用，构建并检验药效团模型；


图1. LigandScout产生的简化药效团模型

2. 虚拟筛选

为增加苗头化合物的多样性，对上述药效团模型进行简化和调整，然后对约含5百万个化合物的商业库进行虚拟筛选，命中大约400个不同结构类型的苗头化合物。



图2. 虚拟筛选苗头化合物6与药效团模型的叠合

3. 分子对接

采用GOLD进行分子对接计算，将上述苗头化合物对接到DNA促旋酶B活性位点，得到12个不同结构类型的化合物。

4. 生物学验证

有2个4,5’-二噻唑类化合物具有DNA促旋酶抑制活性，其中化合物6具有低微摩尔活性（IC₅₀ = 5.5 ± 1.0 μM）。

阶段二

1. 构建集中库

从可购买化合物的eMolecules数据库中获取240个分子组成的4,5’-二噻唑类化合物集中库，并由OMEGA软件产生3D结构。

2. 分子对接

再次采用GOLD进行分子对接计算，通过观察方式检验结合模式，挑选出8个化合物。



图3. GOLD计算的化合物6与G24 ATP结合位点的结合模式

3. 生物学验证

全部化合物具有DNA促旋酶抑制活性，最好的活性为1.1±0.2 μM。

4. 生物物理和结构评价

分别采用DSF、SPR、MST和X-ray技术进行结合热稳性测定、分子间相互作用确证、Kd值测定和蛋白-小分子复合物结构分析。

表1. 4,5’-二噻唑类化合物6和阶段二挑选的化合物18–25的E. coli DNA促旋酶抑制活性




图4. 实验测定和对接得到的化合物18在ATP活性位点的结合构象

结论

虚拟筛选、生物物理及结构生物学技术的组合运用，采用基于结构的药效团建模技术，从天然抑制剂的结构数据出发，可以发现全新骨架DNA促旋酶B型抑制剂。其中一个化合物的IC₅₀可达1.1 ± 0.2 μM，并揭示了重要的作用位点。

亮点

1. 采用两步设计策略：先以天然抑制剂的结构数据为基础进行筛选，再以第一阶段的苗头化合物建立集中库进一步筛选；
2. 对药效团命中的化合物进一步进行分子对接计算；
3. 采用LigandScout基于结构的药效团建模技术与GOLD分子对接方法，可发现全新骨架的抑制剂；
4. 先后发现9个化合物具有低微摩尔水平的抑制活性。
5. 采用多种生物物理和结构生物学技术，揭示了抑制剂的结构特征与结合模式。

关键软件与技术

LigandScout的药效团识别技术，GOLD的分子对接计算，SPR、MST、DSF及X-ray等多种生物物理和结构生物学技术。

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