引言
高通量筛选（HTS）与基于片段的筛选（FBS）已经成为一种成熟的药物发现方法，与典型的HTS库相比，FBS对类药物分子化学空间的采样效率有很大提高，但药物发现过程仍像大海捞针一样。生物物理方法，往往不够灵敏，无法检测到有机小分子与蛋白质表面非常弱结合。而X射线晶体学能够检测高达毫摩级亲和力范围的特异性结合，并提供可直接用于基于结构的药物设计（SBDD）的结构信息。另外，X射线晶体学筛选方法和基于配体竞争饱和位点识别(SILCS)的计算方法这两个使用化学探针的概念具有很强的互补性。因此，本文开发了一种VSFs的结晶学和SILCS计算片段混合筛选方法用于快速发现HITS以及潜在的结合位点，并提供可用于SBDD的结构信息。
先睹为快
单位与作者
德国勃林格殷格翰制药公司Daniel Rangel Rojas、Dennis Fiegen等
研究靶点
对肽脯氨酰顺/反式异构酶（PPIase）FKBP51的FK1结构域（PDB ID：4JFM）
数据库
自构建小型的极小片段数据库（15个）
计算方法
配体竞争饱和位点识别(SILCS)
分子动力学模拟
计算软件
GROMACS 4.5、AMBER99SB*-ILDN
计算流程
作者利用基于配体竞争饱和位点识别（SILCS）的计算方法和X射线结晶学的实验方法对肽脯氨酰顺/反式异构酶FKBP51的FK1结构域的配体进行了筛选，从15个极小片段中最终确定了3个结合位点，得到了6个X射线共晶结构，命中率为40%。通过比较两种方法识别的相互作用位点表明，实验筛选与计算筛选结果在互作模式上具有良好的一致性。随后用HSQC NMR求出了低亲和力结合的结合常数，显示这些片段具有毫摩尔级亲和力。作者提出了一种基于SILCS派生的药效团模型与X射线结晶学相互结合的混合筛选方法，该方法能够快速识别命中和识别配体，并提供可用于使用基于结构的设计方法识别的结构信息。
极小片段数据库（VSF）的构建
一个典型的HTS数据库包含一百万个类药物分子，而一个典型的FBS数据库（HAC<=17）包含一万个分子。本研究中所采用的数据库被限制为重原子数（HAC）小于等于11。为了比较实验和计算筛选方法，作者构建了一个小型的VSFs数据库，该数据库满足以下几个要求：
-
数据库中的分子具备化学多样化，并包含一组具有代表性的官能团、氢键供体和受体；
-
VSFs必须满足因其较低亲和力而产生的苛刻物理化学性质。所选择的VSFs应表现出良好的溶解性，从而允许在高浓度下工作；
-
数据库的大小不仅在学术和工业环境中建立起来既便宜又快速，而且运行虚拟筛选步骤迅速并可快速提供结果。
图1. 极小片段库的二维结构
图片来源JMC
基于X射线晶体学的VSF筛选
作者通过实验筛选了构建的VSFs数据库，得到了15个不同类型的片段分子，它们与FKBP51的FK1结构域结合。以X射线晶体学方法确定了五个残基：Asp68，Gln85，Ile87，Trp90和Tyr113，它们要么直接参与，要么以水介导的方式参与和配体相互作用。其中片段4与Asp68和Ile87相互作用。芳香族氮与Asp68发生水介导的氢键相互作用。片段5和6与Gln85和Ile87相互作用，两个片段的羰基都与Ile87的主链氨基结合。除了这些定向极性相互作用外，还有许多疏水相互作用。总得来说，由VSFs库命中的片段分子具有极性和疏水相互作用总体均匀分布的特点。该结果表明，较少的VSFs库可以有效地采样化学空间，同时识别关键的相互作用。
SILCS分子动力学模拟
为分析计算结果与实验结果是否具有一致性，作者进行了SILCS分子动力学模拟。并创建了每个片段官能团的3D概率图（FragMap）以可视化显著的相互作用模式。FragMap主要是在具有相同5个残基（Asp68、Gln85、Ile87、Trp90和Tyr113）的活性位点上直接获得或通过参与相互作用的水分子获得的。其中具有氢键供体和受体特征的片段证实了与Ile87的相互作用，多个片段的FragMaps证实了与Gln85的水介导的相互作用。该结果表明了实验和计算方法的结果是一致的，并确定了相同的互作位点。另外，作者通过15N HSQC NMR进行了命中VSF与蛋白结合的亲和力测定，这些命中VSF的亲和力在1.3到4.4 mM之间。
总结
基于SILCS的FBS提供了在选择化合物、类似物或片段时可以考虑的潜在相互作用。正如本文研究结果显示的那样，相比于X射线晶体法，SILCS提供了更为详尽的相互作用的信息。因此，作者认为，首先进行计算筛查，然后再进行实验筛选是一种更加有效的筛选方法。基于此，作者提出了一种新的混合筛选模式，该模式可简化筛选流程，并节省资源和时间。即首先利用SILCS方法进行虚拟筛选，随后基于FragMap生成药效团模型，该模型可有效的提高命中率并缩小数据库，最后，使用NMR进一步分析X射线命中的配体，通过Kd测定结果对识别的配体进行排序。总之，本文所提出的VSFs的结晶学和计算片段混合筛选方法可用于快速鉴定HITS以及潜在的结合位点，并提供可用于SBDD的结构信息。
图2. 识别的命中片段
图片来源JMC
图3. 命中的极小片段生成的FragMap
图片来源JMC
图4.混合筛选的工作流程
图片来源JMC
参考文献
Draxler S W, Bauer M, Eickmeier C, et al. A hybrid screening approach for very small fragments-X-ray and Computational Screening on FKBP51[J]. Journal of Medicinal Chemistry, 2020. DOI: 10.1021/acs.jmedchem.0c00120