编辑 | 萝卜皮
随着抗癌钻研的不断深入，科学家们一直在寻找新的要领来提高治疗效果并减少副作用。小份子连系卵白的从头计划技术是解决这一问题的关键。然而，高亲和力连系和可调特异性，通常需要在计算计划后进行复杂的筛选和优化，这为钻研造成了重大阻碍。
加州大学旧金山分校的钻研职员开发了一种名为 COMBS 的从头卵白质计划计算要领，并计划了能与新兴抗癌药物紧密连系的卵白质。
实行考证表明，所计划的卵白质与药物的亲和力强度达到了小于 5 纳摩尔的水平；X 射线晶体结构证实了所计划卵白质与药物相互作用的准确性。这表明，科学家可以通过计算要领计划出具有特定功能的卵白质，而且为癌症治疗提供了新的策略。
该钻研以「De novo design of drug-binding proteins with predictable binding energy and specificity」为题，于 2024 年 4 月 4 日发布在《Science》。
份子辨认在药物卵白计划中仍有挑战
份子辨认是酶催化活性的基础，并驱动卵白质受体的信号传导。虽然科学家对卵白质计划和份子相互作用有了深入的了解，但是合理计划以低纳摩尔至皮摩尔亲和力特异性连系小份子的卵白质，仍然是一个重大挑战。
因为需要精确模拟和预测卵白质与药物份子之间复杂的相互作用，包括氢键、疏水作用和电荷相互作用等。此外，高亲和力连系通常要求：卵白质连系位点在连系过程中的构象变化、水份子的排挤效应可能被精确计算和优化；这些因素都增加了钻研的复杂性和难度。
科学家具体指出，计划可能特异性连系小份子药物的卵白质所面临的一大挑战是：如何克服极性基团在连系过程中失去与水份子有利相互作用的损失。
为了补偿这种失去的水合能，小份子的极性化学基团必须与卵白中的原子基团酿成高度定向和距离依赖的氢键以及静电相互作用。这些极性相互作用不仅对亲和力至关重要，也决定了卵白质对其底物与其他形状相似份子的特异性。
一种针对特异性卵白的从头算计划要领
加州大学旧金山分校的钻研职员开发了一种名为 COMBS（Convergent Motifs for Binding Sites）的计划要领，通过采样可能酿成这些相互作用的序列和结构，以及通过优化卵白质的构象来最小化连系时的构象熵损失，从而提高计划的成功率。
具体来说，它允许在搜索不那么特异但能量上有利的范德华和疏水相互作用来完成连系位点之前，只对可能酿成极性相互作用的序列和结构进行采样。这种要领特别关注如何在卵白质连系位点的计划中精确地排列化学基团，从而确保它们可能与目标小份子酿成高度定向和距离依赖的相互作用。
图示：PARPi 卵白连系物的计算计划。（来源：论文）
COMBS 使用一种称为 vdMs（van der Mers）的工具来搜索化学基团与氨基酸骨架原子相互作用的最佳空间位置。vdMs 类似于定义氨基酸侧链原子相对于其主链原子的有利位置的 rotameric 构象，但 vdMs 定义的是与残基主链原子相互作用的化学基团片段的最佳位置。每种氨基酸类型可以采用多个 vdMs，这些 vdMs 根据在卵白质数据库（PDB）中的出现频率，被聚类成相似的组，并附上相关的概率。
COMBS 算法然后在给定的卵白质骨架上找到多个位置，这些位置可以同时与目标小份子的化学基团酿成有利的范德华、芳香性或氢键相互作用。通过这种方式，COMBS 可能辨认出可能与药物酿成高亲和力连系的卵白质骨架，并创建出相应的连系位点。
实际应用与湿实行考证
钻研职员首先使用 COMBS 要领定义了药物的药效团，并在选定的卵白质骨架上采样 vdMs，从而辨认可能与目标小份子酿成氢键的化学基团。通过这种要领，他们发现了可能与 rucaparib 药物的特定化学基团酿成相互作用的侧链。
在初步计划后，钻研职员通过 Rosetta 灵活骨架序列计划和第二轮 vdMs 采样，进一步优化了卵白质的连系位点。这一迭代过程成功地辨认了与 rucaparib 连系亲和力更高的氨基酸残基。
图示：评估 PiB 与 rucaparib 的计算模型和实行连系。（来源：论文）
然后，该团队对计划的卵白质在湿实行室中进行了表达纯化，通过荧光滴定实行考证了其与 rucaparib 的连系亲和力。结果显示，计划的卵白质 PiB 和 PiB' 与 rucaparib 的连系亲和力非常强，Kd 值分别为 2.2 nM 和 0.37 nM。
之后，通过X射线晶体学要领，钻研职员确定了 PiB' 与 rucaparib 连系的晶体结构，证实了计划的准确性。结构分析表明，卵白质的连系位点与预测的模型非常吻合，且与药物的相互作用也与计划的预期一致。
图示：药物连系的PiB'的结构与计划相符。（来源：论文）
图示：使用 PARPi 对 PiB 进行光谱滴定和细胞活力测定。（来源：论文）
钻研职员还测试了所计划卵白质与一系列 PARPi 药物的连系能力。结果显示，PiB 和PiB' 可能与 rucaparib 以外的其他 PARPi 药物也表现出亚微摩尔级别的亲和力，但随着药物结构与 rucaparib 的差异增大，亲和力逐渐减弱。
在细胞水平上，PiB 和 PiB' 可能减轻 PARPi 药物对 BRCA2 突变细胞的毒性效应，这表明了计划的卵白质在生物学上的相关性和潜在的应用价值。
图示：PiB、PiB' 和突变体的 MD 模拟。（来源：论文）
结语
总而言之，「该团队采用考虑相互作用化学基团局部结构的要领，专注于开发少量的卵白质计划来连系极性药物份子。他们筛选了三种得分最高的计划，并确定了一种即使没有费力的优化也能以亚纳摩尔亲和力与所需小份子连系的计划。」《Science》的编辑 Michael A. Funk 评价道。
「实行考证和计算工作证实了计划的准确性，并揭示了相关药物份子的预测和观察到的连系亲和力之间的相关性。这些结果为高亲和力药物连系卵白的计划提供了一种有前景的要领。」他说。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl5364