Hsp90N抑制劑的虛擬篩選

秦魏 王蓉 李暢

摘要：目的? 采用虛擬篩選獲得與靶標(biāo)Hsp90N結(jié)合力較好的目標(biāo)化合物，為抗腫瘤新藥研發(fā)提供潛在先導(dǎo)化合物。方法? 采用SYBYL軟件對自主構(gòu)建的化合物庫進行虛擬篩選，獲得目標(biāo)化合物，采用精細對接，分析復(fù)合物模擬三維結(jié)構(gòu)與分子互作機制。結(jié)果? 通過虛擬篩選，成功獲得21個目標(biāo)化合物（Total score>6，Cscore≥4），其中Total score>8且Cscore≥4者18個，分別屬于冬凌草甲素類、小檗堿類、巴馬汀類、異長春花苷類、白樺酸類、香蕉皮類、欖香烯類、人參皂苷類和其他類化合物。綜合考量Total score、Cscore打分值與結(jié)構(gòu)多樣性，選取5個最優(yōu)化合物為代表，構(gòu)建化合物與Hsp90N復(fù)合物模擬三維結(jié)構(gòu)，分別為1號化合物2D_PeiLL（Total score=12.98，Cscore=4）、2號化合物XBJ_4463（Total score=12.78，Cscore=4）、4號化合物V12_ZhangYC（Total score=11.89，Cscore=4）、5號化合物1002483_WangTY（Total score=11.86，Cscore=4）和7號化合物S-9_LiZ（Total score=10.80，Cscore=5）。結(jié)論? 成功獲得21個目標(biāo)化合物，并闡明了5個最優(yōu)代表的復(fù)合物模擬三維結(jié)構(gòu)與分子互作機制，為靶向Hsp90N的新型抗癌藥物研發(fā)提供潛在先導(dǎo)化合物。

關(guān)鍵詞：Hsp90N;先導(dǎo)化合物;抗腫瘤;虛擬篩選;復(fù)合物模擬三維結(jié)構(gòu);分子互作機制

中圖分類號：R979.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2020.19.022

文章編號：1006-1959（2020）19-0078-04

Abstract：Objective? To use virtual screening to obtain target compounds with good binding ability to the target Hsp90N， and to provide potential lead compounds for the development of new anti-tumor drugs.Methods? The SYBYL software was used to screen the self-constructed compound library to obtain the target compound， and the complex was analyzed by molecular docking to simulate the three-dimensional structure and molecular interaction mechanism.Results? Through virtual screening， 21 target compounds were successfully obtained （Total score>6， Cscore≥4）， of which 18 were with Total score>8 and Cscore≥4， belonging to oridonin， berberine， and palmatine， vinca glycosides， betulinic acids， banana peels， elemenes， ginsenosides and other compounds. Considering the Total score， Cscore and structure diversity， the five best compounds are selected as representatives， and the compound and Hsp90N complex are constructed to simulate the three-dimensional structure. They are compound No. 1 2D_PeiLL （Total score=12.98， Cscore=4）， No.2 compound XBJ_4463 （Total score=12.78， Cscore=4）， No. 4 compound V12_ZhangYC （Total score=11.89， Cscore=4）， No. 5 compound 1002483_WangTY （Total score=11.86， Cscore=4） and No. 7 compound S-9_LiZ （Total score=10.80， Cscore=5）. Conclusion Successfully obtained 21 target compounds， and constructed 5 optimal representative complexes to simulate the three-dimensional structure and molecular interaction mechanism， providing potential lead compounds for the development of new anticancer drugs targeting Hsp90N.

Key words：Hsp90N;Lead compound;Anti-tumor;Virtual screening;Simulated complex three-dimensional structure;Molecular interaction mechanism

惡性腫瘤是全球人類的第2大死因，嚴(yán)重威脅人類的生命與健康，據(jù)統(tǒng)計[1]，2018年全球新增癌癥病例1810萬例，新增死亡病例960萬例?；熕幬锸悄[瘤目前主要的治療手段，靶向藥物治療取得了令人矚目的成就。熱休克蛋白90（heat shock protein 90，Hsp90）作為分子伴侶，通常以α-α或β-β同源二聚體形式存在于細胞質(zhì)中，每個單體包括3個結(jié)構(gòu)域，即Hsp90N、Hsp90M與Hsp90C[2]。Hsp90C負責(zé)形成同源二聚體，Hsp90M負責(zé)結(jié)合客戶蛋白，Hsp90N有一個ATP結(jié)合口袋，負責(zé)結(jié)合ATP并催化ATP水解，為客戶蛋白折疊提供能量，也是抗腫瘤藥物設(shè)計的重要靶點[3-5]。Hsp90抑制劑相應(yīng)分為Hsp90N抑制劑、Hsp90M抑制劑與Hsp90C抑制劑[6，7]。Hsp90通過協(xié)助300多種客戶蛋白正確折疊與構(gòu)象成熟參與細胞的生長、增殖與凋亡，其中48種客戶蛋白在腫瘤發(fā)生與發(fā)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用，Hsp90抑制劑則通過抑制其分子伴侶功能，導(dǎo)致多種重要客戶蛋白不能正確折疊與構(gòu)象成熟，而被蛋白酶體捕獲降解，致使腫瘤細胞多條信號通路同時受阻，從而抑制或殺死腫瘤細胞[8-10]。因此，Hsp90一直作為經(jīng)典抗腫瘤藥物設(shè)計靶標(biāo)而備受關(guān)注。目前，已有多個Hsp90抑制劑處于臨床或臨床前研究階段，展示出良好抗腫瘤活性，同時也表現(xiàn)出心毒性、肝毒性、水溶性差等問題[11]。因此，研發(fā)新型Hsp90抑制劑十分必要。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機輔助藥物設(shè)計與虛擬篩選應(yīng)運而生，展示出強大的生命力。與傳統(tǒng)藥物研發(fā)技術(shù)相比，計算機輔助藥物設(shè)計與虛擬篩選技術(shù)具有高效率、高通量、低成本的優(yōu)勢[12-15]。本研究采用SYBYL-X 2.0軟件，通過對自主構(gòu)建的化藥與中藥單體庫進行虛擬篩選，獲得與Hsp90N結(jié)合力良好的目標(biāo)化合物，為靶向Hsp90N的抗腫瘤藥物研發(fā)提供潛在的先導(dǎo)化合物，現(xiàn)報道如下。

1材料與方法

1.1化合物庫構(gòu)建優(yōu)化? 共構(gòu)建12個小分子化合物庫：白樺酸類，巴馬汀類，冬凌草甲素類，間苯三酚類，欖香烯類，人參皂苷類，吳茱萸堿類，香蕉皮類，小檗堿類，異長春花苷類，魚藤素類與其他小分子類。隨后，將各類化合物庫依次導(dǎo)入SYBYL-X 2.0軟件，每個化合物庫進行至少10000輪幾何優(yōu)化和立場優(yōu)化。

1.2靶標(biāo)蛋白Hsp90N優(yōu)化? 以Hsp90N-FS23復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)為研究模板（PDB ID，5CF0），對靶標(biāo)Hsp90N進行加氫和加電荷優(yōu)化后，提取Hsp90N的ATP結(jié)合口袋，作為虛擬篩選位點。

1.3虛擬篩選? 以提取的Hsp90N ATP結(jié)合口袋為靶點，采用SYBYL軟件的Surflex-Dock模塊，對已優(yōu)化化合物庫進行分子對接篩選?；赥otal score和Cscore打分值篩選目標(biāo)化合物，其中Total score為配體與靶標(biāo)Hsp90N間結(jié)合解離常數(shù)（Kd）的負對數(shù)，體現(xiàn)配體與靶標(biāo)Hsp90N的親和力，其值越大越好，一般選取6分以上者;Cscore為綜合得分值，也是越大越好，一般選取4分以上者（滿分5分）。Total score與Cscore得分值越高說明從理論計算角度，小分子化合物與靶標(biāo)Hsp90N之間的分子結(jié)合力越強。

1.4精細對接? 綜合考慮打分值與結(jié)構(gòu)多樣性，選出5個最優(yōu)化合物作為代表，采用SYBYL軟件進行精細對接，分析其與Hsp90N的復(fù)合物模擬三維結(jié)構(gòu)與分子互作。

2結(jié)果

2.1虛擬篩選結(jié)果? 通過虛擬篩選，成功獲得21個目標(biāo)化合物（Total score>6，Cscore≥4），其中Total score>8且Cscore≥4者18個，分別屬于冬凌草甲素類、小檗堿類、巴馬汀類、異長春花苷類、白樺酸類、香蕉皮類、欖香烯類、人參皂苷類和其他類化合物，可為靶向Hsp90N的抗癌新藥研發(fā)提供有價值的先導(dǎo)化合物，見表1。綜合考量Total score、Cscore打分值與結(jié)構(gòu)多樣性，選取5個最優(yōu)化合物為代表（圖1），與靶標(biāo)Hsp90N的活性口袋進行精細對接，采用SYBYL軟件，構(gòu)建5個代表化合物與Hsp90N的復(fù)合物模擬三維結(jié)構(gòu)。

2.2復(fù)合物模擬三維結(jié)構(gòu)與分子互作機制分析? 采用SYBYL軟件，依次對5個最優(yōu)化合物與靶標(biāo)Hsp90N進行精細對接分析，構(gòu)建化合物與Hsp90N復(fù)合物模擬三維結(jié)構(gòu)，配體與靶標(biāo)間分子互作機制分別為：1號化合物2D_PeiLL（Total score=12.98，Cscore=4），來源于冬凌草甲素類化合物，結(jié)合在Hsp90N的ATP結(jié)合口袋中央，與活性口袋匹配良好，該化合物周圍尚有較大空間，可用于后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化（圖2A）;該小分子有較多氧原子，其中5個氧原子分別與Hsp90N第51位天冬酰胺、第58位賴氨酸、第102位天冬氨酸、第184位蘇氨酸及第139位酪氨酸形成5個氫鍵相互作用，加強了該化合物與Hsp90N結(jié)合作用（圖2F）。2號化合物XBJ_4463（Total score=12.78，Cscore=4），來源于小檗堿類化合物，化合物穿插于Hsp90N的ATP結(jié)合口袋之中，附近空間較大，可為后期結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定良好基礎(chǔ)（圖2B）;該化合物長碳鏈結(jié)構(gòu)末端與Hsp90N第139位酪氨酸和第162位色氨酸形成2個氫鍵，其苯環(huán)周圍的2個氧原子分別與Hsp90N第58位賴氨酸和第184位蘇氨酸形成2個氫鍵作用，從而使化合物與靶標(biāo)Hsp90N之間形成較強親和力（圖2G）。4號化合物V12_ZhangYC（Total score=11.89，Cscore=4），來源于其他小分子類的化合物，很好結(jié)合在Hsp90N的ATP結(jié)合口袋之中，二者匹配緊密，且口袋內(nèi)化合物周圍仍有較大空腔，可為其后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供指導(dǎo)（圖2C）;該化合物五元雜環(huán)上的1個氮原子分別與靶標(biāo)Hsp90N第51位天冬酰胺和第138位蘇丙氨酸形成2個氫鍵相互作用，同時該雜環(huán)上的1個氧原子分別與Hsp90N第137位甘氨酸與第138位蘇丙氨酸形成2個氫鍵相互作用，加強了二者的結(jié)合力（圖2H）。5號化合物1002483_WangTY（Total score=11.86，Cscore=4），來源于巴馬汀類的化合物，其緊密結(jié)合在Hsp90NATP結(jié)合口袋之中，二者匹配良好;該化合物含2個剛性結(jié)構(gòu)異喹啉環(huán)，具有穩(wěn)定性，且其周圍尚有較大空間，可為下一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供基礎(chǔ)（圖2D）;該化合物長碳鏈端的氮原子與異喹啉環(huán)周圍的氧原子，分別與Hsp90N第108位甘氨酸、第58位賴氨酸形成2個氫鍵相互作用，促進了二者的結(jié)合（圖2I）。7號化合物S-9_LiZ（Total score=10.80，Cscore=5），來源于異長春花苷類的化合物，與Hsp90NATP結(jié)合口袋結(jié)合緊密、匹配良好，在口袋中，該化合物周圍還存在較大空間便于后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化（圖2E）;該化合物的2個氧原子與Hsp90N第58位賴氨酸、第184位蘇氨酸形成2個氫鍵相互作用，使二者緊密結(jié)合（圖2J）。

3討論

目前，靶向治療是臨床上應(yīng)用于惡性腫瘤治療的一種有效手段，而Hsp90能夠在惡性腫瘤增殖過程中起到關(guān)鍵作用，是一個可用于治療癌癥的良好分子靶點。但是，現(xiàn)有Hsp90抑制劑存在諸多弊端或副作用，且未見任何Hsp90抑制劑的藥物面市。因此，研發(fā)新型Hsp90抑制劑十分必要。

本研究通過虛擬篩選，成功獲得21個目標(biāo)化合物（Total score>6，Cscore≥4），其中Total score>8且Cscore≥4者18個，分別屬于冬凌草甲素類、小檗堿類、巴馬汀類、異長春花苷類、白樺酸類、香蕉皮類、欖香烯類、人參皂苷類和其他類化合物。綜合考量Total score、Cscore打分值與結(jié)構(gòu)多樣性，選取5個最優(yōu)化合物為代表，構(gòu)建其與Hsp90N的復(fù)合物模擬三維結(jié)構(gòu)，分析兩者分子互作機制，為靶向Hsp90N的抗癌新藥研發(fā)提供有價值的先導(dǎo)化合物。Hsp90作為分子伴侶，通過幫助多種客戶蛋白正確折疊、再折疊、構(gòu)象成熟，參與細胞的生長、增殖與凋亡[16，17]。Hsp90在正常細胞中主要處于靜默態(tài)，而在腫瘤細胞中高表達，主要處于活化態(tài)。已報道的Hsp90的客戶蛋白有300多種，其中48種與細胞生長或信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)，包括跨膜酪氨酸激酶，亞穩(wěn)信號蛋白，成熟信號蛋白，嵌合信號蛋白，甾體激素受體，細胞周期調(diào)節(jié)因子等，這些蛋白質(zhì)在腫瘤細胞的生長與增殖中發(fā)揮重要，甚至決定性作用[7，18]。基于Hsp90在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的重要作用，Hsp90的抑制劑發(fā)現(xiàn)是目前抗腫瘤藥物研發(fā)的重要策略之一。Hsp90抑制劑可通過抑制Hsp90的分子伴侶功能，導(dǎo)致腫瘤細胞中的一些重要客戶蛋白不能正確折疊或構(gòu)象成熟而被蛋白酶體捕獲降解，抑制或殺死腫瘤細胞。

隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機輔助藥物設(shè)計與虛擬篩選技術(shù)，因其具有高效率、高通量、低成本的優(yōu)勢，已成為藥物研發(fā)的核心技術(shù)。但是虛擬篩選基于理論計算，是從理論計算角度篩選與靶標(biāo)Hsp90N結(jié)合力較強的目標(biāo)化合物，篩選結(jié)果與軟件、算法的選擇關(guān)系密切，尚需各種體內(nèi)外實驗驗證其篩選結(jié)果。相信隨著計算機技術(shù)的日趨成熟，虛擬篩選將會在抗腫瘤藥物研發(fā)中具有更廣闊的應(yīng)用前景。

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收稿日期：2020-08-20;修回日期：2020-08-30

編輯/杜帆