JMC | 反应动力学结合分子动力学研究共价抑制剂与DAGL的结合机制

在过去的十年中，人们重新对共价抑制剂的开发产生了兴趣，这些共价抑制剂可用于多种药物靶点，包括丝氨酸水解酶和激酶超家族。共价不可逆抑制剂先以可逆的方式与蛋白质结合，经过一个时间依赖的化学反应，使酶失活（图1）。共价不可逆抑制剂的发现过程中，通常侧重于优化IC50值来确定的效价，然而，固有的高反应性可能导致与同一酶家族的其他成员的特异性结合，正如最近发现的BIA 10-2474抑制剂的严重副作用。应用特异性常数k=(Kinact / Ki）很好的避免IC50值的测定和时间依赖性的问题，可以用来指导抑制剂的优化。

图1. A. 三唑类尿素抑制剂对丝氨酸水解酶的作用机理; B. 可逆、不可逆的反应方程式

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二酰甘油脂肪酶(DAGL)是一类丝氨酸水解酶，负责合成内源性 2-氨基酰甘油。调节DAGL的活性对代谢性和神经炎症性疾病的治疗具有重要意义。目前有一类三唑类尿素DAGL抑制剂，它们通过形成稳定的氨基甲酸盐加合物，不可逆地结合催化丝氨酸，三唑部分作为离开基团排出，但是这些化合对其他丝氨酸水解酶也有抑制作用。为了研究三唑杂环在抑制剂活性中的确切作，作者合成了5个DH376抑制剂的衍生物（图2），建立了一种基于替代底物的方法来测定DAGL的三唑脲抑制剂的结合动力学参数和反应活性，并利用分子动力学进一步探讨了结合亲和力的显著差异。

图2. DH376抑制剂及其五个类似物的结构图示

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替代底物的方法测定DAGL的三唑脲抑制剂的结合动力学参数和反应活性的流程和结果如图3所示。1和2均为低纳米摩尔抑制剂，4为中等活性，3和5的活性较差，最出乎意料，3和4三唑3和吡唑4抑制剂与DH376具有差不多活性和失活率，这与Pka的5个数量级差异形成鲜明对比。通过图4的线性关系图可以看出，活性IC50值与Ki和Kinact 有很好的相关性，R2分别为0.73和0.77（图4a，b），并且Kinact 与Pka没有明显的线性关系（图4c），这表明，离去基团的Pka与失活的速率无关。五种抑制剂的IC50值差异较大的主要原因是吡唑和1,2,4-三唑类化合物与1,2,3-三唑类抑制剂的结合亲和力较低。

图3. 化合物1抑制剂的结合动力学测定流程图（A-B）和结果C

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 图4. 化合物1抑制剂的结合动力学测定流程图（A-B）和结果C

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为了进一步了解这种差异背后的原因，通过共价对接手段，将1-5化合物对接到模建的DAGL蛋白受体中，再用分子动力学模拟分析5个复合物的相互作用特征。所有复合物的构象都能很好地在MD模拟中稳定。分析复合物的结合模式（图5），可以发现化合物1和2的高效能主要来源于与His650形成的氢键，而且化合物1还与His471形成稳定的pi-stacking 作用，与Tyr303形成氢键作用；化合物3和5仅通过水桥与His650作用，而且可以观察到三氮唑环发生90度的旋转，完全失去了与His650的相互作用，减弱了与蛋白的结合力，从而活性很小。

图5.复合物MD模拟的代表性结构结合模式图；高效1,2,3-三唑1（A）和非活性咪唑5（B）。

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综上所述，本文[1]作者发展了一种动力学方法来研究三唑脲杂环核在共价不可逆的DAGL抑制剂的影响，研究发现，离去基团的Pka与抑制剂的反应性无关，但氮原子在杂环中的位置和数量对其结合亲和力有重要影响，这些发现与模建的DAGL复合物的分子动力学模拟中的观察结果一致。本文结果有望用于指导丝氨酸水解酶不可逆抑制剂的优化。

参考文献：

Janssen, Antonius PA, et al. “Structure Kinetics Relationships and Molecular Dynamics show crucial role for heterocycle leaving group in irreversible diacylglycerol lipase inhibitors.” Journal of medicinal chemistry 62.17 (2019): 7910-7922.