計算機輔助共價抑制劑設(shè)計

1、low-reactivity bond-forming site導(dǎo)語非共價相互作用，包括靜電相互作用、氫鍵、范德華相互作用和疏水性接觸都有助于配體與 受體、酶和離子通道的親和力和特異性。因此，藥物的開發(fā)主要依靠優(yōu)化非共價相互作用來 提高對靶標(biāo)的效力和選擇性。然而，許多制藥公司和學(xué)術(shù)團(tuán)體采用的這種方法忽略了一類藥 物：可以與酶或受體形成共價鍵的藥物。directed covalent bond l between drug and target雖然特異性一直是成功的藥物化學(xué)項目關(guān)注的重點，但數(shù)年來的統(tǒng)訃數(shù)據(jù)顯示，市場上銷售 的藥物平均達(dá)到六個靶標(biāo)。對蛋白質(zhì)、核酸和其他關(guān)鍵生物分子的非特異性修飾以

2、及與谷胱 甘肽綴合的毒性引起的恐懼長期以來抑制了共價藥物的發(fā)展。盡管大多數(shù)藥物化學(xué)研究計劃 被廢棄，但是各種共價藥物己經(jīng)進(jìn)入市場，包括大片藥物（圖1）。這種明顯的悖論是由于 它們的治療應(yīng)用被發(fā)現(xiàn)之后，英作用模式被解開，一個著名的例子是阿司兀林，其不可逆地 乙?；h(huán)氧合酶（cox）oaspirin3penicillinb>/er synthesizesa*id disthbutcsaspirin to patientspenicillin synthesizedby pharma and usedinwwii.development oftargeted covalentinhibitor

3、s for erbbfamilyapproval of firsttargeted covalentpan erb8drugafat nibrociletiniba0人nda for mutantspecific egfr lungcancer drugrociletinib1890s1920s1940s1980s1990s20002015discovery ofpenid 川 nblockbusterproton pump inhibitoromeprazole approvedomeprazoleblockbuster clopklogrel approvedclopidogrelappr

4、oval for btkleukemia drugibrutinibibrutinib已上市共價藥物隨著共價藥物的發(fā)展，研究人員已經(jīng)認(rèn)識到與其非共價藥物相比，在某些情況下，共價藥物 的一些性質(zhì)可能是有益的。例如，共價相互作用的長效特征抑制酶抑制劑被天然底物置換。 當(dāng)生物化學(xué)途徑涉及抑制天然底物的積聚時，共價藥物允許以比用于相同靶標(biāo)的非共價藥物 低得多的濃度實現(xiàn)相同的藥理學(xué)應(yīng)答顯得非常重要。suo3=qnd jo<dquunnyearnumber of publications obtained from the search of the term "covalent drug

5、s" in scifinder*.除了毒性問題之外，共價抑制劑的表征技術(shù)不足阻礙了共價配體的發(fā)展。事實上，根據(jù)“常 規(guī)”非共價抑制劑的酶學(xué)、結(jié)合動力學(xué)、藥代動力學(xué)和藥效學(xué)的所有知識，解釋與共價抑制 相關(guān)的數(shù)據(jù)可能是有偏見和錯誤的。計算機輔助共價抑制劑設(shè)計1. 計算藥物設(shè)計盡管計算工具廣泛用于非共價藥物設(shè)計，但共價藥物的計算方法很少。已經(jīng)為非共價藥物推 出了數(shù)以千計的定量構(gòu)效關(guān)系(qsar)模型和對接研究，而對于共價藥物卻沒有報道，很少 的程序或方法可用于藥物化學(xué)界。應(yīng)該澄清的是，計算方法是補充和受益于其他結(jié)構(gòu)技術(shù)， 如晶體學(xué)。2. 量子力學(xué)方法計算藥物的反應(yīng)性和酶-藥物復(fù)合物的穩(wěn)定性

6、將使醫(yī)藥化學(xué)家能夠以適當(dāng)?shù)耐Ａ魰r間來設(shè)計 和微調(diào)藥物。2007年，oballa及其同事使用密度泛函理論(dft)來評估含月青片段對catk 抑制劑設(shè)計的反應(yīng)性。他們得出結(jié)論，基于dft的方法可以用作預(yù)測月青對半胱氨酸的反應(yīng)性。 這些方法顯示出汁算方法預(yù)測共價反應(yīng)性并開始被利用的潛力。cncn-4-5cn-6-7cn cn?n-8-9cnn入nnhpho2sos、-10 -11研究表明dft應(yīng)用于預(yù)測化合物的反應(yīng)性，尚未被廣泛研究和應(yīng)用于酶反應(yīng)的性質(zhì)。親電反 應(yīng)性和蛋白質(zhì)殘基親核親和力的整體性質(zhì)在預(yù)測自然界共價反應(yīng)中是必不可少的。該方法可 以容易地擴(kuò)展到預(yù)測激酚半胱氨酸和共價抑制劑之間的反應(yīng)量子

7、力學(xué)（qm）方法已被證明可用于預(yù)測共價配體的反應(yīng)性。盡管qm計算量隨看系統(tǒng)中原 子數(shù)量的增加而下降，但提取參數(shù)或產(chǎn)生預(yù)測模型可以為共價化合物庫的篩選提供有用的信息。0.1h/2 (h)、nh3. 基于配體的方法藥物發(fā)現(xiàn)中常見的計算方法是qsar.然而，傳統(tǒng)的qsar模型是針對非共價抑制劑開發(fā)的， 因此不考慮共價鍵對結(jié)合能的貢獻(xiàn)。為了解決這個問題，shokhen及其同事開發(fā)了兩個描述 符（w1和w2）,測量了親核殘基和按基之間形成鍵的能量。當(dāng)中間體保持陰離子時，w1測 量結(jié)合能，w2測量與質(zhì)子化結(jié)合的能量。這些描述符來源于模型系統(tǒng)的半經(jīng)驗計算，作為 驗證，研究人員對凝血酶和組織蛋白酶d進(jìn)行了回顧

8、性研究，發(fā)現(xiàn)w1和w2對于最佳預(yù)測是 至關(guān)重要的，盡管這是使用qsar與共價藥物的第一步。ser 八 oh0 人w1ser、01、rinhibitor0w2oh1aser、ser" ohrrrin hibitorfig. 27. descriptors for covale nt inhibition in qsar models.4. 分子對接之共價鍵建模基于對接的藥物設(shè)計已經(jīng)成為許多學(xué)術(shù)和工業(yè)藥物化學(xué)組合的常見做法°分子對接程序預(yù)測 配體的結(jié)合模式和相對親和力，并依賴于兩個基本步驟：1）取洋配體-蛋白質(zhì)復(fù)合物的構(gòu)象 空間；2）使用評分函數(shù)對取樣的構(gòu)象進(jìn)行排序以預(yù)測可能的

9、結(jié)合模式，或者在虛擬篩選的 情況下，將活性與非活性化合物區(qū)分開。每個對接程序都使用自己的方法來確定最有希望的 候選藥物。過去，共價藥物開發(fā)和投入很少，大多數(shù)藥物發(fā)現(xiàn)項目都集中在非共價配體的開發(fā)上。導(dǎo)致 了針對非共價化合物的虛擬高通量篩選(viits)和對接方法非営少。相比之下，有效鑒定共 價活性物質(zhì)的方法不發(fā)達(dá)，并且不如鑒定非共價配體的那樣準(zhǔn)確。對共價藥物的興趣越來越 多，使得共價對接方法的發(fā)展激增，以加強藥物的發(fā)現(xiàn)和設(shè)計。幾個最流行的對接程序已被 修改以適應(yīng)共價對接，并且出現(xiàn)了兒個專注于共價對接的新的對接程序。共價對接程序如 dock、 docktites covdock、 autodock

10、> flexx> fitted、 gold 和 covalentdock 。量子力學(xué)/分子力學(xué)(qm/mm)方法利用qm的高精度和mm的可擴(kuò)展性。qm/mm方法 利用qm用于要求高水平細(xì)節(jié)的蛋白質(zhì)和配體的區(qū)域，而對于其余部分則使用mmo因此， qm/mm方法能夠以高精度和適中的計算成本研究具冇共價配體的酶的詳細(xì)結(jié)合機制，能量 障礙和相互作用。這提供了一種解決對接方法限制的途徑，英不包括使用qm而涉及結(jié)合 動力學(xué)和熱力學(xué)的一些復(fù)雜因素。為了應(yīng)對在對接中處理極化和共價相互作用的挑戰(zhàn)，rohrig等研究人員開發(fā)了 qm/mm即時 對接算法。這種方法使用經(jīng)典對接程序生成的姿勢，然后采樣這些

11、姿勢用qm/m方法重新優(yōu) 化并重新評分。他們的算法在鋅數(shù)據(jù)集和血液蛋白數(shù)據(jù)集上得到驗證。當(dāng)以適度的計算方式 開始隨機配體構(gòu)彖搜索時，它們的算法在鋅和血液蛋白數(shù)據(jù)集上比經(jīng)典的對接程序 (autodock> vina 和 gold)表現(xiàn)得更好。案例step iii: improve afflntty of inhibitordockingstep iv:chemical reaction still possible?qm/mm or md in enzympstart:choose appropriate irreversible inhibitorgrey: computations g

12、reen: experimentstep 1:synthesis warhead /change substitutiontest predictionspattern of warhead:for solutionqm in solutionstep ii: verify suggestions in enzyme in enzymefrom predictionsto reality使用qm/mm方法與對接程序協(xié)同改進(jìn)藥物開發(fā)過程涉及的不可逆的基于乙烯基硯的 rhodasin抑制劑ki 1力7。計算表明,k11777可逆和較短停留時間的衍生物將更具生物活性。為了開發(fā)潛在的候選藥物，研究人員

13、用qm/mm方案篩選了 k11777的各種衍生物，并鑒定 出在結(jié)合rhodasin僅略微放熱的衍生物。然后通過qm/mm和qm建模預(yù)測對輕度放熱的 可逆分子進(jìn)行非共價對接研究。然后進(jìn)一步優(yōu)化非共價復(fù)合物以改善抑制劑親和力。在此步 驟之后，qm /mm和分子動力學(xué)模擬再次運行，以進(jìn)一步支持所做的修飾。設(shè)計結(jié)束后， 進(jìn)行實驗驗證。該方案成功應(yīng)用于鑒定rhodasin的納摩爾親和抑制劑。研究人員建議，他們 的qm/mm協(xié)議在研究和優(yōu)化來自共價對接篩選的最有希望的候選藥物方面非常有用。該 方案的主要限制是對共價抑制劑結(jié)合的晶體結(jié)構(gòu)的要求。無論是偶然發(fā)現(xiàn)還是設(shè)計修飾，目前在市場上存在許多通過共價作用模式

14、成功的藥物。盡管 發(fā)現(xiàn)過程的許多方面rti非共價和共價藥物共亨,但述有幾個重耍的附加因素，包括停留時間、 親核反應(yīng)性和共價鍵形成能。靶標(biāo)和反應(yīng)基團(tuán)的選擇以及合適的技術(shù)對抑制劑的適當(dāng)表征對 于対是否繼續(xù)或終止對給定化學(xué)系列的探索做出明智的決定至關(guān)重要。特別是結(jié)合動力學(xué)在 這個問題上是至關(guān)重要的。事實上，雖然共價抑制可以大大減少用于改善藥物的藥代動力學(xué) 參數(shù)所花費的時間，但其重要性以及藥效學(xué)也不減少。參考資料：1. de cesco s, kurian j, dufresne c, et al. covalent inhibitors design and discovery j, european journal of medicinal chemistry, 2017.2. chaskar p, zoete v, rohrig u f. on-the-fly qm/mm docking with attracting cavitiesf