传统药物分子通过对靶蛋白结合位点的可逆/不可逆占据实现对其生物学功能的调控。根据研究，约75%的人类蛋白由于缺乏可调控的位点而被认为是“不可成药”的靶点，经典的占据驱动的药物设计策略正面临巨大挑战。
近年来，蛋白降解靶向嵌合体（proteolysis-targeting chimeras, PROTACs）通过事件驱动（event-driven）策略诱导靶蛋白降解，受到越来越多的行业关注。由于PROTAC的配体连接部分通常为柔性较大的长链结构，并且其发挥作用时有形成稳定三元复合物的需要，因此研究PROTAC游离状态的构象行为对理解其结合自由能有重要意义，进而可以指导分子设计与优化。
三元复合物形成有正协同效应和负协同效应两种。正协同效应的PROTAC通常认为是有利的，尤其对于结合能力较弱的分子可以显著扩大浓度窗口。有研究指出，负协同和弱亲合性的PROTAC分子也能有效降解靶蛋白，这可能与三元复合物的解离动力学有关。目前对复合物解离的认知非常匮乏，阻碍了PROTAC设计理论的革新。为了对这一问题进行探索，阿斯利康药化部门的H. Zhao等人选择了MZ1和dBET6两个PROTAC分子进行了溶液体系下的分子和三元复合物解离动力学的分子模拟研究。两个分子均靶向降解BRD4，区别在E3连接酶配体和连接区。MZ1有正协同效应，使用VHL配体并通过三个PEG单元连接。dBET6使用CRBN配体并通过8-C烷烃链连接，是负协同效应的分子。该工作发表于美国化学会出版的计算化学和化学信息学核心期刊Journal of Chemical Information and Modeling（J. Chem. Inf. Model. 2022, 62, 2, 340–349）【1】。首先，研究者利用NMR技术对DMSO溶解的MZ1的构象空间特征进行了分析。如图-2所示，研究者观察到VHL配体的叔丁基（黄色）分别与VHL配体中苄基酰胺结构（蓝色）、PEG链（绿色）和BRD4配体中氯苯结构（紫色）表现出NOE效应，VHL配体的苯基和BRD4配体的二甲基噻吩分别与PEG链产生NOE效应。在氢键分析中，研究者发现连接链两端的酰胺可以形成分子内氢键，这可能是分子形成了把氨基包裹在分子内部的构象，使氨基无法发生质子交换。图-2 MZ1在DMSO中的长距离NOE效应和分子内氢键位点。图中标注距离为形成NOE效应的基团间平均距离。接着，研究者对DMSO中的MZ1体系进行了2 μs的分子动力学模拟，通过BRD4配体和VHL配体中苯基的距离揭示出MZ1在折叠态和非折叠态的快速转换。苯基距离曲线在2.52nm处表现为一个宽峰（图-3B），表明该体系下MZ1主要为非折叠态的构象。从平均力势能（PMF）曲线可以看出，两种构象间的势能面较平坦，即熵效应主导了折叠态向非折叠态转变。研究者接下来运用复杂网络分析为我们提供了一种定性的方法可视化构象间的转换。如图-4所示，非折叠态（蓝点）表现出高度的相互连接，而折叠态（红点）之间的转变都需要通过非折叠态或半折叠态作为过渡进行。图-3 DMSO中MZ1的分子模拟结果。（A）2 μs模拟中两个苯基的质心距离变化。（B）MZ1各基团质心距离的分布。（C）随两个苯基质心距离变化的平均力势能曲线。图-4 DMSO中的MZ1构象转变。（上图）2 μs分子动力学模拟中MZ1构象空间的复杂网络分析。（下图）MZ1折叠向非折叠过渡的典型构象。NMR研究中观察到的分子内氢键以蓝色虚线表示。青色结构为非折叠构象，绿色结构为半折叠过渡构象，紫红色结构为折叠构象。相反的是，MZ1在水中2 μs的分子动力学模拟中倾向于形成折叠的构象，此状态下主要的相互作用是两个靶头的π-π堆积作用。该体系下构象转变仍应是由熵驱动的。作者认为，在水溶液中疏水效应导致了两个靶头的靠近，并且由于折叠导致的分子表面积减小对于溶剂是熵有利的。可想而知，从折叠构象转变为非折叠构象涉及周围水分子的氢键网络重组，该过程是较困难的。因此，水体系的模拟结果中很少观察到构象的相互转化。图-5 水中MZ1的分子模拟结果。（A）2 μs模拟中两个苯基的质心距离变化。（B）MZ1各基团质心距离的分布。（C）随两个苯基质心距离变化的平均力势能曲线。研究者同样对dBET6分别在DMSO和水中进行了分子模拟。DMSO体系下，dBET6主要是非折叠构象。水体系下，研究者观察到了更多的构象，并且构象转化频繁，意味着该分子构象变化的能垒较小。除了靶头接近的折叠构象， 8-C烷烃链会与靶头发生疏水堆积。该构象也在晶体结构中成功观测到。在两组模拟轨迹的基础上，研究者对两个分子连接链的柔性进行了对比和分析。他们发现，MZ1的PEG链端到端距离变化幅度大，链两端的最近距离约为0.4 nm，即该类型的链柔性大，能自由折叠。dBET6的链在DMSO中变化幅度小，在水中链和靶头会发生疏水作用，但链较为伸展，两端最近距离为0.9 nm，即8-C烷烃链相比于PEG链刚性更强。作者推测该刚性差异可能是PEG倾向于形成邻位交叉构象和氧原子形成氢键的性质导致的。最后，研究者对VHL-MZ1-BRD4复合物分别进行了常规和拉伸分子动力学模拟，以研究复合物的结合模式和解离行为。对BRD4蛋白施加外力，研究者发现复合物的解离是两步过程，第一步是蛋白-蛋白相互作用的断裂，PROTAC分子被拉伸到非折叠构象。第二步是PROTAC分子与其中一个蛋白分离。由于该过程表现为两个较小的能垒而不是一个较大的能垒，使得降解过程各状态能够快速转换。图-6 三元复合物VHL-MZ1-BRD4的解离行为拉伸动力学模拟结果。（A）将BRD4拉离复合物的外力大小变化。（B）沿拉伸方向的平均力势能曲线。本工作同时对具有正协同效应和负协同效应的PROTAC分子进行了全面的分子模拟研究。研究者发现水中PROTAC分子倾向于形成分子内疏水作用，这可能会影响分子与靶蛋白和E3连接酶的结合，进而影响蛋白降解效率。另外，研究者发现靶蛋白-PROTAC-E3连接酶的解离是一个两步过程，且靶蛋白可能会先解离。此特征的发现对PROTAC分子的设计有一定指导意义。参考文献
Weerakoon, D.; Carbajo, R. J.; De Maria, L.;Tyrchan, C.; Zhao, H., Impact of PROTAC Linker Plasticity on the Solution Conformations and Dissociation of the Ternary Complex. Journal of Chemical Information and Modeling 2022, 62 (2), 340-349.感兴趣的读者，可以添加小邦微信（zhiyaobang2020）加入读者实名讨论微信群。添加时请主动注明姓名-企业-职位/岗位 或 姓名-学校-职务/研究方向。