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预测 β2-肾上腺素能受体激动剂的作用持续时间:基于配体和结构的方法

Molecular Informatics ( IF 2.8 ) Pub Date : 2023-10-23 , DOI: 10.1002/minf.202300141
Luca Chiesa 1 , Emilie Sick 2 , Esther Kellenberger 1
Affiliation  

 1 简介


β2 肾上腺素受体 (ADRB2) 是 G 蛋白偶联受体家族 (GPCR) 中研究最多的靶标之一,具有多种已解析的晶体结构和许多具有不同药理学特征的已知配体。 GPCR 通过信号转导途径介导细胞与环境之间的相互作用,发挥着关键的生物学作用。细胞外结合袋中分子的结合通过增强信号(激动剂)或抑制信号(拮抗剂和反向激动剂)来调节信号传导。 ADRB2 激动剂是治疗哮喘和慢性阻塞性肺病 (COPD) 等呼吸系统疾病的一类重要药物1, 2 。根据其作用持续时间,它们被分为短效 (SABA)、长效 (LABA) 和超长效 (Ultra-LABA) β-激动剂3 。每一类都有特定的治疗作用:SABA 用作快速缓解药物,而 LABA 用作长期控制药物4 。在过去的二十年中,制药公司开发了新的 LABA 和 Ultra-LABA 3, 5 ,目标是每日一次的剂量激动剂,其作用持续时间最适合患者管理6


调节β2激动剂作用持续时间的确切机制仍不清楚。最受支持的假设是扩散微动力学理论7, 8 ,该理论将作用持续时间与配体在水相和脂质膜之间的分配联系起来。更多亲脂性化合物在膜中积聚,形成配体储备,增加重新结合的可能性,从而延长其作用的持续时间。其他机制可以解释作用持续时间的差异:配体的结合动力学被认为是一个决定因素,但是检查这方面的实验给出了相互矛盾的结果9, 10 。提出了一个额外的结合位点(称为外位点)的存在来解释沙美特罗及其衍生物的长作用持续时间11 。通过晶体学在TM6和TM7以及ECL2 12的胞外末端之间的区域中鉴定出容纳配体长脂肪链的第二结合袋。然而,该区域的突变仅影响沙美特罗的结合亲和力,但不影响其作用持续时间13


在这项工作中,我们建议探索与高通量虚拟筛选兼容的不同计算机辅助药物设计 (CADD) 方法,以定性预测 22 种充分表征的 β2 激动剂的作用持续时间:10 个 LABA(包括 LABA 和 Ultra-LABA) )和 12 个 SABA(图 1)。

Details are in the caption following the image
 图1

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包含 12 个 SABA 和 10 个 LABA+Ultra-LABA 的 β2 激动剂数据集的分子结构。


通过药理学家的严格验证,包括对药效学和药代动力学相关文献的广泛探索,数据集的重要价值得到了增强(表 S1-2)。


评估的方法可分为两类:基于结构的方法和基于配体的方法。基于配体的药物设计 (LBDD) 使用已知结合物的信息来选择新的潜在活性分子。在这项工作中,我们探索了日益复杂的不同分子表征:计算的理化性质、分子和药效指纹以及 3D 配体结构。


目的是确定调节作用持续时间的性质和结构特征。基于结构的药物设计 (SBDD) 使用目标蛋白的 3D 结构来指导药物发现。最常用的技术是蛋白质-配体对接,它预测目标结合位点中分子的姿势,并使用评分函数评估其结合亲和力。基于晶体结构14或分子动力学模拟15中观察到的相互作用的药效团模型通常用于对接结果的后处理,特别是用于识别具有所需药理学特征的配体。使用受体激动剂复合物16、17的晶体结构以及结合 AlphFold2 (AF) 18和分子对接的计算机管道生成的结构应用 SBDD 策略。用于蛋白质结构预测的深度学习方法的发展有望实现任何目标的 SBDD,尽管此类结构在虚拟筛选中的使用仍然受到预测质量的限制19-22 。使用蛋白质-配体对接和分子动力学来模拟 ADRB2 与激动剂福莫特罗和沙丁胺醇之间的复合物。建模和晶体学结合模式用于回顾性对接练习中的姿势重新评分,使用结合交互图(IG)和一类支持向量机(IG-OCSVM)获得的动态表示15


目的是确定调节已知 β2 激动剂作用持续时间的关键分子特性,并评估其预测的不同策略。该分析是在考虑不同的描述符、不同的机器学习方法以及不同程度的信息(一个参考文献、两个不同持续时间的参考文献、一个精选数据集)的情况下进行的。我们还探索了在 SBDD 中使用基于相互作用的方法来完成此类任务,因为即使可用的实验数据有限,它们也已成功应用于检测具有特定药理学特征的配体15 。基于 SBDD 相互作用的方法中对具有特定作用持续时间的配体的偏好的存在可能与所使用的间接编码某些配体特性的表示有关。比较两种方法的结果可能可以解释这种偏见的根源。





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更新日期:2023-10-23
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