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DS案例 | PROTAC可选择性的降解CDK亚型
计算模拟平台
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DS案例 | PROTAC可选择性的降解CDK亚型
BIOVIA Discovery Studio 案例
解决方案 | 2021-02-02 11:18
摘要
来源:计算机模拟平台

细胞周期蛋白依赖性激酶周期(CDK)是一组丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,CDK通过对丝氨酸/苏氨酸蛋白的化学作用驱动细胞周期和周期蛋白cyclin协同作用,是细胞周期调控中的重要因子。在研究CDK抑制剂时,与其他CDK同源物脱靶效应相关的毒性往往成为临床问题,并阻碍其进一步的治疗发展。为了提高疗效并降低毒性,作者使用靶向蛋白水解的嵌合体(PROTAC)方法,设计并进一步优化靶向多个CDK小分子降解体,发现化合物A9选择性降解CDK2,并且还鉴定了一种双降解剂化合物F3,它可以有效诱导CDK2 (DC50:62 nM)和CDK9 (DC50:33 nM)的降解。在人前列腺癌PC-3细胞中,化合物F3通过有效阻断细胞周期S和G2/M期来有效抑制细胞增殖。初步数据表明,以PROTAC的方法使CDK2/9降解可能是一种有效的治疗方法。


分子对接(Molecular docking)是基于结构药物设计的核心模拟手段,依据受体与配体作用时的几何匹配和能量匹配过程,模拟受体-配体相互作用,预测两者间最佳的结合模式和结合亲和力。采用分子对接模拟技术,科研人员可以进行基于结构的药物虚拟筛选,药物分子的结构改造,配体和受体相互作用的机理研究等工作,从而大大提高实验效率。在BIOVIA Discovery Studio这一分子模拟的综合平台中,分子对接程序包含Libdock、CDOCKER、Flexible Docking,这三种对接算法各有优势,能够满足广大科研工作者的多种应用需求,为其提供配体受体间相互识别的“利器”。


PROTAC可选择性的降解CDK亚型

refEur. J. Med. Chem. Accepted 3 December 2019, IF=5.573

链接:https://doi.org/10.1016/j.ejmech.2019.111952


一,研究背景

细胞周期蛋白依赖性激酶(CDKs)是人类21种基因编码的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。CDK1、2、4和6在真核细胞周期检查点调节中发挥着广泛的作用。该家族的第二类分支CDK7、8、9、12和13被确定为转录调节子。CDK4/6,它在细胞周期中与细胞周期蛋白D形成活性复合物,该复合物使视网膜母细胞瘤蛋白(pRb)磷酸化,从而减少E2F家族对转录因子活性的抑制。随后在G1期后期,CDK2在与细胞周期蛋白E结合后进一步磷酸化Rb蛋白,有效缓解E2F的抑制作用,使细胞周期进入S期。在整个S期中,CDK2与细胞周期蛋白A结合可控制DNA合成的进程。在细胞增殖失调的癌症中,CDKs的过度表达通常是癌症发病机理的驱动力,因此,靶向CDKs成为治疗癌症的重要手段。小分子CDK抑制剂已用于临床研究中,但治疗效果差和严重的毒性反应阻碍了它们的临床发展。新兴的蛋白水解靶向嵌合体(PROTAC)技术将小分子与E3泛素连接酶的配体连接起来,通过把靶标蛋白质招募到E3泛素连接酶附近实现靶向蛋白质的多泛素化,最后被蛋白酶体降解。PROTAC技术可选择性降解特定的同源蛋白,包括含溴结构域蛋白的成员以及CDK。而CDK2尚未被确定为可降解目标。CDK2的泛素化能有效、安全地抑制肿瘤细胞的生长,但CDK2的降解可以消除肿瘤细胞分化的阻滞。靶向CDK2的降解探针的研究可有助于了解CDK2的功能,并探索对癌症的潜在治疗干预。在本研究中,首次报道了新型CDK小分子PROTAC降解剂的设计和合成,该降解剂可单独降解CDK2或双重降解CDK2/9。其中一些通过下调包括原癌基因产物在内的CDK2/9信号通路,抑制前列腺癌PC-3细胞的增殖,具有潜在的治疗价值。


二,研究过程

PROTAC是一个两头含有不同配体的化学分子,一头是结合E3连接酶的配体,另一头是结合细胞内蛋白质的配体,这两个配体再由一段linker连接起来。在本研究中为了确定合适的连接点,作者通过使用BIOVIA Discovery Studio中的CDOCKER将已知抑制剂AT-7519和FN-1501对接到CDK2蛋白中(PDB ID:2VTH),并根据CDOCKER ENERGY选出最好的结合模式(如图1)。如预期的那样,抑制剂的疏水端与linker连接。但是由于linker长度和抑制剂的连接点不确定。因此,基于AT-7519 (A1-A10)FN-1501 (F1-F10)分别设计了一系列化合物,并通过生物实验测试了这些化合物是否降解CDK亚型,发现化合物A9可选择性降解CDK2,化合物F3可以有效诱导CDK2和CDK9的降解。


三,结论

在这项研究中,作者设计和合成了两个系列的化合物,并通过Western Blot评估了它们对CDK的降解活性。在AT-7519系列中,发现A9可选择性降解CDK2,它在设计更有效的CDK2降解剂时具有很高的参考价值。基于FN-1501的系列中的大多数化合物都实现了CDK2/9双重降解或选择性CDK9降解。但是化合物F3的降解活性较高,该化合物对多种细胞系中CDK2和CDK9显示出有效且快速降解,因此它具有治疗多种癌症的潜力。总之,通过分子模拟的方法可指导实验的进行,并加快实验的进程。


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(A) CDK2(PDB ID: 2VTH)AT-7519()FN-1501()结合模式(B)基于AT-7519FN-1501设计PROTAC分子的化学结构。


为什么选择 BIOVIA Discovery Studio?

1. BIOVIA Discovery Studio 中共有三种对接程序,这三种对接算法各有优势,能够满足广大科研工作者的多种应用需求;

2. BIOVIA Discovery Studio 中有多种对接结果的评价分析手段,包括2D/3D相互作用图分析(可以分析氢键、疏水作用、卤键等多种非键相互作用类型)、结合口袋表面分析、氢键热图、多种打分函数、结合能的计算等;

3. BIOVIA Discovery Studio 应用广泛,操作简便,图形化界面十分友好,结果易于分析。