Uni-FEP靶点“探月”计划 | 聚焦热休克蛋白HSP90
Uni-FEP自由能微扰计算因能够精确计算药靶结合自由能，而受到业界广泛关注。过去几十年，作用于单个靶点的高选择性药物分子取得巨大成功，多靶点药物有待探索。本期Uni-FEP靶点“探月”计划的靶蛋白为多信号调控靶蛋白HSP90。文章选取了文献中具有代表性的化合物作为配体，使用Uni-FEP计算其与HSP90的结合自由能，探索并验证了Uni-FEP在HSP90体系中的适应性和准确性。
热休克蛋白HSP90
热休克蛋白90（HSP90, Heat Shock Protein 90）因可以同时控制细胞内多条信号通道，成为药物发现的重要靶点而受到广泛关注。HSP90，是指分子量为90 kDa的热休克蛋白的子集，它是一种ATP依赖性分子伴侣，调节各种客户蛋白的晚期成熟、活化和稳定性。在人源HSP90中已经鉴定出4种亚型，所有亚型都包含一个保守结构，包括N末端ATP酶结合域、中间域以及C末端结合域。
HSP90蛋白在必需的细胞过程和调节途径中起着重要作用，例如细胞凋亡、细胞周期控制、细胞信号传导、细胞活力、蛋白质折叠和降解等。在体内，HSP90的客户蛋白多达400余种，这些客户蛋白包括跨膜酪氨酸激酶（HER/neu、EGFR、MET、IGF21R），亚稳信号蛋白（Akt、Raf21、IKK），成熟信号蛋白（p53、kit、Flt3、v2Src），嵌合信号蛋白（NPM2ALK、Bcr2Abl)，甾体激素受体，细胞周期调节因子（cdk4、cdk6）等大多与肿瘤的发生和演进有着密切的关系，并且在恶性肿瘤中处于过度表达或持续激活状态[1,2]。
HSP90在癌症进展中的关键作用以及正常HSP90与癌症相关HSP90之间的差异是众所周知的。因此，HSP90已成为药物靶点。YanXiao等[3]综述了2014年至今作用于HSP90不同结构域的结构新颖的抑制剂。近些年已有数十种HSP90抑制剂进入临床试验，但因它们在临床试验中表现得毒性强、安全性差等问题，致使没有一种HSP90抑制剂获得FDA的批准上市。目前仍迫切需要具有较强抗癌活性和良好安全性的新型HSP90抑制剂。
Hermite™ Uni-FEP准确计算已
发表化合物与HSP90的结合自由能
· 计算体系
本文使用HSP90蛋白晶体结构（PDB ID:4O07）快速验证文献报道[4]已有活性的11个化合物（图1）与HSP90的结合能力。
图1 用于Uni-FEP计算的11个化合物
· 计算过程
Hermite™ Uni-FEP提供完整的、自动化的FEP计算流程和结果分析指导，整个流程包括：蛋白准备，配体准备，化合物对齐（支持刚性对齐，柔性对齐）、化合物对的自动Mapping/Pertubation、构建网络，结果分析。
图2 化合物对齐后与HSP90靶点的结合
图3 Uni-FEP所构建的配体网络示意图（左图）及配体mapping示意图（右图）
· 计算结果
表1为Hermite™ Uni-FEP计算△G与实验结果△G的比较表格。11个化合物的计算△G（Uni-FEP）排序与实验△G（exp）的整体趋势吻合，这表明Uni-FEP通过计算药靶结合自由能，可对一系列化合物进行较为准确的亲和力预测排序。进一步分析预测自由能与实验自由能的相关性（图4），可以发现两者间相关性达到R2=0.71，更进一步说明了Uni-FEP应用于一系列化合物亲和力评价排序中的优势。
单独分析每个化合物的计算结果和实验结果（表1）可以发现，所有化合物的预测结果与实验结果偏差均小于2 kcal/mol，属于相对合理范围（备注：药靶结合自由能相差1 kcal/mol，化合物活性相差5~6倍）。除Cpd-6，Cpd-3，Cpd-4o04，Cpd-4o05（23）四个化合物的计算值与实验值偏差超过1.5 kcal/mol，其他化合物的预测结合自由能与实际实验测得结合自由能的差距都维持在1 kcal/mol 左右。尤其对于化合物Cpd4o09，Uni-FEP的预测结合自由能△G（Uni-FEP）与实验测得自由能△G（exp）仅相差0.09 kcal/mol，计算结果非常准确。
表1 Hermite™ Uni-FEP计算△G与实验结果△G
图4 Hermite™ Uni-FEP计算结果图
结论
本文的计算结果表明Hermite™ Uni-FEP可以准确地预测HSP90蛋白与抑制剂小分子的结合自由能，实现对系列化合物的活性进行高低排序，完成化合物虚拟筛选、先导化合物优化等目的。
Hermite™ Uni-FEP在骨架跃迁中的应用案例，请关注：
参考文献
[1] Birbo B, Madu EE, Madu CO, Jain A, Lu Y. Role of HSP90 in Cancer. Int J Mol Sci. 2021 Sep 25;22(19):10317.
[2] Prince T &Neckers L (2011) A network of its own:the unique interactome of the HSP90 cochaperone,Sba1/p23.Mol Cell, 43, 159–160.
[3] Xiao Y, Liu Y. Recent Advances in the Discovery of Novel HSP90 Inhibitors: An Update from 2014. Curr Drug Targets. 2020;21(3):302-317.
[4] Cappel D, Jerome S, Hessler G, Matter H. Impact of Different Automated Binding Pose Generation Approaches on Relative Binding Free Energy Simulations. J Chem Inf Model. 2020 Mar 23;60(3):1432-1444.
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关于Uni-FEP
Uni-FEP是药物计算设计平台Hermite™中的药物结合自由能计算模块，为先导化合物优化提供了精准计算的可能。Uni-FEP将自由能微扰理论、分子动力学、增强采样算法与高性能计算相结合，能够以化学精度高效评估蛋白质与配体的结合亲和力，适用于R基团优化、骨架跃迁、配位共价、电荷转移、大环成环等各种不同的优化场景。
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