比較BTK抑制劑的配體與蛋白靜電勢

比較BTK抑制劑的配體與蛋白靜電勢

摘要

Flare[1]是Cresset的基于結構藥物設計軟件,在本文中它內置的蛋白相互作用勢分析方法用于計算BTK激酶活性位點里精細的靜電特征。相互作用勢映射用于比較幾個精選的BTK配體以詳盡地了解配體結合的構效關系(SAR)。FLARE里的3D-RISM分析也用來研究了BTK活性位點里結晶水分子的分布穩定性。

前言

Bruton酪氨酸激酶是非受體酪氨酸激酶Tec家族的成員。最近的文獻發現[2]表明Btk抑制可能是治療自身免疫性疾病如類風濕性關節炎的有吸引力的方法,類風濕性關節炎是一種以關節腫脹和侵蝕為特征的進行性自身免疫性疾病。

已發表的X射線晶體結構PDB:4ZLZ顯示4RV配體通過在鉸鏈區與Glu475和Met477形成H鍵相互作用而與Btk的活性位點相互作用(圖1-左)。吡啶基環與Lys430之間發生了陽離子-π 相互作用,其中吡啶基氮與P-loop殘基Phe413和Gly414發生水介導的相互作用。將4-甲基吡啶-3-基用雙環雜環取代,如在4L6中的吲唑(PDB:4z3V,圖1-右)置換水分子并與P-Loop直接H-鍵相互作用,這導致發現了對BTK效力提高的配體如化合物4L6、以及1和2個 (見表1)。

BTK抑制劑的相互作用

Figure 1. Left: X-ray crystal structure of 4RV (PDB:4ZLZ) in the active site of Btk making a water mediated hydrogen bond with the P-loop backbone. Right: X-ray crystal structure of 4L6 (PDB:4Z3V) making direct H-bond interactions with the P-loop backbone.

在本算例中,我們使用了蛋白相互作用勢和Flare提供的3D-RISM方法來研究BTK活性部位的靜電和結晶水分子的穩定性。然后將該信息用于理解表1中分子的SAR。

BTK抑制劑SAR

方法

將4ZLZ和4Z3V配體-蛋白質復合物從蛋白質數據庫下載到Flare中,并使用來自BioMolTech[5]的Build Model[4]工具小心地準備,以添加氫原子、優化氫鍵、消除原子沖突并將最佳質子化狀態分配給蛋白質結構。任何截短的蛋白質鏈被封端作為蛋白質準備的一部分。

使用COBALT[6]多重比對工具在Flare中比對蛋白質序列,隨后通過alpha碳原子的最小二乘擬合進行疊加。

蛋白的最小化

使用XED力場[7]和正常條件(梯度截斷:0.200kcal/mol/ ?,最大迭代次數2,000次)使準備的4ZLZ和4Z3V配體-蛋白質復合物的活性位點在Flare中最小化。配體結構包括在活性位點的最小化中。

3D-RISM分析

參考相互作用位點模型(RISM)是一種基于分子Ornstein-Zernike方程的現代溶劑化方法[8] 。3D-RISM已經越來越多地用作研究蛋白質中水分子的位置和穩定性的方法。在概念上,3D-RISM等同于在溶劑上運行無限時間分子動力學模擬(保持溶質固定),然后提取溶劑顆粒的密度。 3D-RISM計算的輸出包括含有顆粒密度的網格,一個用于氧,一個用于氫原子。熱力學分析然后將ΔG值分配給網格上的每個位置,表示相對于大量水在網格的該位置處的假定水分子的”Happiness”。Flare中的3D-RISM計算使用了Cresset的XED力場,這提供了結合電子各向異性和一定程度的極化率的優點,從而提高了該方法的有效性。

在4ZLZ和4Z3V上進行了3D-RISM分析以研究Btk活性中心4RV和4L6配體周圍結晶水分子的穩定性。使用了如下條件:

  • XED force field and charge method
  • 4? grid spacing
  • 14? grid external border width
  • Convergence tolerance: 10-8
  • Maximum number of iterations: 10,000
  • Total formal charge handling: neutralize with counterions.

蛋白相互作用勢

蛋白相互作用勢是Cresset分子相互作用勢對蛋白質的延伸。兩者都是使用XED力場計算的。該方法在原理上類似于配體場的計算:蛋白質的活性位點被探針原子充滿,并且計算每個格點上的相互作用勢。該方法利用了Mehler等人[9]的距離依賴的介電函數來更好地處理蛋白質結構中的大量帶電基團。Table 1中的所有配體與4L6屬于相同的系列,因此對于這種情況研究,僅計算和顯示4Z3V的活性位點的蛋白質相互作用電勢。

配體場

為了獲得表1中配體的合理結合模式(pose),使用內置于Flare中的Lead Finder[10]方法將相應的2D結構對接到4Z3V的”干”(即,不包括結晶水分子)活性位點中。然后計算Cresset的配體場,并與4Z3V蛋白相互作用電勢進行比較,以研究配體的SAR。然后計算Cresset的配體場,并與4Z3V蛋白相互作用電勢進行比較,以研究配體的SAR。

結果

3D-RISM分析4ZLZ

在3D-RISM運行結束時,將3D-RISM水分子鏈添加到蛋白質結構中。該鏈中的水分子占據如3D-RISM所預測的高水密度區域,并且根據整個水分子計算的ΔG著色,在所有取向上取平均值。”Happy”水分子(ΔG為負值)被染成綠色:3D-RISM預測這些水分子在蛋白質中比在大量水中更穩定,因此更難被配體取代。”Unhappy”水分子(ΔG為正)呈紅色:這些水相對于大量水不太穩定,因此更容易被配體置換。

圖2顯示了對4ZLZ進行3D-RISM計算的結果。氧密度表面(圖2-左側)清楚地顯示了吡啶氮附近的局部水區域,3D-RISM局部算法(圖2-右側)表明水分子應該恰好存在于晶體結構中所見的位置。熱力學分析表明,這種水分子既不是特別”happy”,也不是特別”Unhappy”。這與該水分子可置換的事實(如由4L6和表1中的其它化合物證明的)一致,但也表明置換基團需要具有正確的靜電和形狀以避免親和力的損失。

4ZLZ 3D-RISM分析

Figure 2: 3D-RISM results on 4ZLZ. Left: oxygen isodensity surface at ρ=5. Right: localized 3D-RISM waters, colored by ΔG.

3D-RISM分析4Z3V

4Z3V的氧密度表面如圖3-左側所示。 3D-RISM定位算法正確地識別了結合到BTK活性部位的4L6配體周圍的大部分晶體水分子的位置:預測到在這些水分子中有許多是”Happy”。因此,選定的一套穩定水分子的子集包含在4Z3V的蛋白質相互作用電勢的計算中,因為它們被認為是配體與蛋白質活性位點結合的一部分。

4Z3V 3D-RISM分析

Figure 3: 3D-RISM results on 4Z3V. Left: oxygen isodensity surface at ρ=5. Right: localized 3D-RISM waters, colored by ΔG.

4Z3V的蛋白相互作用勢

如圖4所示,4Z3V的”干”(不包括結晶水分子)和”濕”(包括排列在活性部位的穩定結晶型水分子)活性部位的蛋白質相互作用電勢以令人滿意的方式與4L6配體場匹配。尤其是:

  • 富含電子的Cinnoline環位于4Z3V活性中心的正相互作用勢區域;
  • Cinnoline環的5,6-氫位于Leu408羰基的負相互作用靜電勢區域附近;
  • 3-甲酰胺的羰基和NH2分別位于Met477的骨架NH和Btk的鉸鏈區Glu475骨架羰基的正相互作用電勢和負相互作用電勢的區域內和附近,它們與該區域形成氫鍵;
  • Cinnoline環上的4-氨基也位于負相互作用靜電勢的區域附近,對應于Met477和Leu408的羰基;
  • 吲唑的富電子5元環位于Lys430的質子化側鏈(未顯示)和Phe413的骨架NH的正相互作用電勢的區域中,其中NH基團指向Gly414骨架的負區域,Gly414與其形成氫鍵。

在計算蛋白質相互作用勢時將穩定的水分子包含在內證實了這種情況。然而,在這種情況下,4Z3V活性部位中間的正蛋白相互作用勢的區域大得多,并且將Cinnoline-吲唑環系統的大部分包含在內。這確實與Cinnoline-吲唑環系統周圍的負配體場完全一致(圖4-底部)。此外,Cinnoline環上的4-氨基位于負相互作用勢的區域中,與正的配體場良好匹配。

4L6與4Z3V蛋白的靜電作用勢疊合

Figure 4: 4L6 superimposed to the protein interaction potentials of 4Z3V. Top-left: ‘dry’ active site, not including crystallographic water molecules. Top-right: ‘wet’ active site including stable water molecules. Bottom: Ligand fields for 4L6. Protein interaction potentials shown at isolevel = 3; ligand fields shown at isolevel = 2.

BTK抑制劑的SAR

配體場與BTK活性位點的蛋白相互作用勢的比較提供了對表1中化合物的SAR的一些有用的洞察。

Compound 1

化合物1(pIC50=8.7)是該數據系列中兩個最有效的化合物之一[3],在吲唑環上帶有-OMe側鏈,在Cinnoline環的5位帶有氟。化合物1的結合模式(圖5)與4L6的結合模式相似。該化合物在鉸鏈區與Glu475和Met477發生氫鍵相互作用,與Lys430(未顯示)發生陽離子-π相互作用,以及與P-loop殘基Phe413和Gly414的骨架發生氫鍵相互作用。氟基團位于相對大的口袋中,靠近一個可能被置換的水分子。 OMe基團中的CH3位于負相互作用勢的區域中。

化合物1疊合到4Z3V

Figure 5: Left: compound 1 (pIC50 = 8.7) superimposed to the protein interaction potentials for the active site of 4Z3V at isolevel = 3. Right: ligand fields for compound 1 at isolevel = 2.

Compound 2

化合物2也是數據系列中最有活性的化合物之一。[3]然而,非常有趣的是,吲唑上的NH不與Gly414形成H鍵,因為它被轉向了另一側,可能與附近的水分子形成氫鍵相互作用。

化合物2疊合到4Z3V

Figure 6: Compound 2 (pIC50 = 8.7) superimposed to the protein interaction potentials for the active site of 4Z3V at isolevel = 3.

Compounds 3與4

化合物3的良好活性(pIC50=8.4)證實了雙環系上的氫鍵供體不是BTK配體達到良好活性水平的必要特征。非常有趣的是,化合物4(pIC50=7.7)在結構上非常類似于3,但活性明顯較低。如圖7所示,比較這兩個化合物的配位場與4Z3V活性部位的蛋白相互作用勢可能為這個差異提供解釋。而對這兩個化合物(圖7-中列),負配體場與Phe413的骨架NH的正相互作用勢顯示出良好的互補性,化合物4的正配體場(圖7-右列)與Gly414骨架羰基產生的負相互作用勢不匹配。在兩個化合物Cinnoline環的7位上的甲基在確保配體在活性位點中實現正確構象方面與4L6吲唑環上甲基起到相同的作用。

化合物3、4疊合到4Z3V

Figure 7: Compounds 3 and 4 superimposed to the protein interaction potentials for the active site of 4Z3V at isolevel = 3. Ligand fields shown at isolevel = 4.
Middle: positive interaction potentials superimposed to negative ligand fields.
Right: negative interaction potentials superimposed to positive ligand fields.

結論

在Flare中實現的蛋白相互作用勢和配體場是理解配體-蛋白相互作用的靜電的有力方法。在3D-RISM分析之后包含穩定的水分子顯著提高了用于表征蛋白質活性位點的方法的精度。從蛋白質相互作用勢獲得的信息可用于指導配體設計,比較相關蛋白質以識別選擇性機會,并從蛋白質的角度理解SAR趨勢和配體結合。

文獻

1. http://www.cresset-group.com/products/flare/
2. C.R. Smith et al., J. Med. Chem. 2015, 58, 5437?5444
3. US patent 2015/0038510
4. V. Stroganov et al., Proteins 2011, 79(9), 2693-2710
5. https://www.biomoltech.com/
6. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/tools/cobalt/re_cobalt.cgi
7. J.G. Vinter, J. Comput.-Aided Mol. Des. 1994, 8, 653-668
8. R. Skyner et. al., Phys. Chem. Chem. Phys. 2015, 17(9), 6174
9. E. L. Mehler, The Lorentz-Debye-Sack theory and dielectric screening of electrostatic effects in proteins and nucleic acids, in Molecular Electrostatic Potentials: Concepts and Applications, Theoretical and Computational Chemistry Vol. 3, 1996
10. O. V. Stroganov et al., J. Chem. Inf. Model. 2008, 48(12), 2371-2385

摇滚之夜怎么玩 抢庄牌九app下载 555彩票手机app mg助手 吉林快三计划软件下载 最新棋牌游戏 下彩彩票触屏版 重庆时时全天个位计划 彩票店合作协议 有多少人靠时时彩过日 四川时时app下载手机版下载手机版下载手机版 重庆时时大小是什么 新手棋牌 火龙果计划网址 旧版捕鱼达人2经典 大赢家娱乐下载 重庆老时时开奖走势图