摘要：Cresset不仅提供药物设计软件，而且有专门的团队提供药物发现服务。Cresset在提供药物发现项目方面拥有20年的历史，具有非常丰富的行业经验和可靠的业绩记录。对于您项目，我们的CADD科学家可以与您一起从头开始，为如何加速管线上的资产提供专家建议和指导。提供包括基于结构、基于配体等全方面的药物设计咨询服务。本文强调了水分子位置与稳定性在分子设计中的重要性，我们的CDS专家可以为您提供专业的服务，充分利用水分子信息为您设计新的分子。
前言
水在药物发现中的作用不容忽视。它在配体结合中的重要性已被广泛接受，并且在蛋白-药物相互作用中具有重要作用。从水介导的相互作用、去溶剂化/溶剂化到在配体周围形成稳定的水网络，它的作用已得到充分证明，但是，对于如何以及何时在药物发现中考虑或利用水仍然知之甚少。了解水在结合位点中的作用对于设计考虑水介导的相互作用的配体至关重要。这个过程很复杂，需要仔细考虑。
Cresset Discovery拥有一支庞大的计算科学家团队，他们拥有运行详细水分析的技能和经验。通过从蛋白质结构中收集有价值的信息，我们帮助您了解水在结合位点中的作用，以及如何使用这些信息来合理设计配体、解释结合亲和力的变化，以及在某些情况下调整功能，例如从激动剂到拮抗剂，或影响选择性。我们的研究科学家可以帮助您在以下领域以经济、高效的方式推进您的项目：
作用和功能
了解水的作用及其在结合袋中的作用至关重要。水可以是惰性的，也可以作为反应性物质发挥生物功能。是溶剂水(Bulk water)、稳定系统的保守水，还是特定功能所需的催化水？例如，水分子可以介导蛋白质和底物之间的相互作用，以增加选择性或导致构象变化。它们可以作为质子运输的通道或使磷酸盐和硫酸盐底物水解。为了了解结合位点内的水网络，这些都是需要加以解决的重要因素。
结构和动力学
关键结构特征的识别是通过彻底的蛋白质准备来进行的。解析水分子需要 2Å 的分辨率，分辨率较低的晶体结构会导致一些不确定性。可能需要仔细分析电子密度和/或温度因子，以充分评估是否定义了水（图 1a）。进行分子动力学模拟还可以帮助识别真正结构的水分子和瞬态的水分子。
我们的CADD科学家利用结构模式或公共相互作用模式，通过比较同一蛋白的多个结构比对或在没有重复结构可用时具有高度序列相似性的结构比对来识别保守水（图 1b）。
图 1a（左）：hPNMT与AdoHcy以及 4-喹啉醇（PDB 3KPU）复合物晶体结构的电子密度（2Fa-Fc），分辨率为 2.4 Å，显示了一些已定义和未定义的水分子（红色球体）。 图 1b（右）： 14 个hPNMT结构比对、叠合结果，显示了片段苗头化合物和保守的水分子簇。
计算方法
通过计算可以预测水分子在结合位点中的位置和稳定性。Cresset Discovery的科学家使用Flare[1-5]中内置的两种水分析方法：
- GIST（Grid Inhomogeneous Solvent Theory）使用分子动力学模拟来分析水的稳定性。它可用于apo蛋白(未结合配体的蛋白)和holo蛋白（结合了配体的蛋白），并在每种情况下生成热表面图，突出显示水稳定性高、低的区域。
- 3D-RISM（Reference Interaction Site Model）利用 XED 力场或 AMBER GAFF 力场的高级分子间相互作用描述对整个蛋白质进行水分析，也可用于预测水在活性位点内的位置(在结合位点内放置水分子)，无论是apo或是holo蛋白。
配体设计
从水分析中获得的信息可用于指导配体设计，方法是识别哪些水分子应该被忽略，哪些水分子可被官能团替换/置换。流动且易于替换的水分子通常被称为“hot”或“unhappy”的水，而紧紧抓住结合位点且难以被替换的水称为“cold”或“happy”的水。了解哪些水分子在能量上是有利的，可以对结合位点的可成药区域和配体的最佳位置提供有价值的见解。弱极化的疏水环境中的水很容易去除，并且往往最有利于增加配体设计中结合的焓贡献；而与蛋白残基发生极性相互作用并且被强烈极化的水则难以移除。它也可能受多个可以相互补偿的因素（焓熵补偿）控制，这凸显了药物设计的复杂性。
图 2. hPNMT与AdoHcy以及2-氨基-5(6)-氯苯并咪唑（PDB 3KR1）复合结构的3D-RISM分析结果呈现的ΔG等值图。颜色编码：红色 = unhappy（正 ΔG）水合区域，绿色 = happy（负 ΔG）水合区域。 A. apo结构的3D-RISM图显示了蛋白的成药性区域（红色区域）。 B. 2-amino-5(6)-chloro-benzimidazole 片段 (Kd=1.8 µM) 占据了水分子不太稳定且更容易置换的区域。
作为您的CRO，我们CDS专业的分子建模专家将与您的团队合作并采用最合适的方法。我们会研究您体系的柔性、计算速度以及方法的准确性和可靠性，以仔细分析您的体系并评估配体周围每个水分子的重要性。所做的工作将有助于推进您的项目并对您的药物设计项目产生重大影响，提高效率以确保您只制造重要的分子。更多Cresset Discovry计算服务介绍，请点击：CDS。
参考文献
- Flare V5, Cresset®, Litlington, Cambridgeshire, UK; http://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
- C. Nguyen, M. K. Gilson, T. Young, Structure and Thermodynamics of Molecular Hydration via Grid Inhomogeneous Solvation Theory, ArXiv 11084876 Phys Q-Bio. 2011
- R. Skyner, J.L McDonagh, C.R. Groom, T. van Mourik, J. B. O. Mitchell, C. R. Groom, T. Van Mourik, A Review of Methods for the Calculation of Solution Free Energies and the Modelling of Systems in Solution, Phys. Chem. Chem. Phys. 2015, 17 (9), 6174
