蛋白-蛋白结合界面上特征作用模式的挖掘及其在药物分子设计中的应用

蛋白-蛋白相互作用在各种生命过程中发挥着重要的作用，是一类重要的潜在药物靶标，逐渐成为现代新药研究的热点。但是蛋白-蛋白作用界面的特殊性和复杂性对发展针对该类体系的小分子调节剂造成了很大的难度，目前以蛋白-蛋白相互作用体系为靶标成功上市的药物分子非常少。因此，非常有必要发展针对该类体系适用的药物分子设计方法，以探索和发掘该类靶标在新药研发中的巨大潜力。本项目计划发展一套算法用于挖掘蛋白-蛋白结合界面上的特征作用模式，分析并探讨这种特征作用模式与蛋白生物功能之间的关联。同时利用蛋白-蛋白作用界面上的特征作用模式，结合基于片段的设计方法发展一种靶向蛋白-蛋白相互作用体系的小分子调控剂设计的通用策略。我们并将在一些典型的蛋白-蛋白作用体系中应用和验证这一策略的有效性，为研发靶向蛋白-蛋白相互作用体系的新型药物奠定方法学基础。

蛋白-蛋白相互作用在生命活动中起着重要的调控作用，它们是一类重要的潜在药物靶标，也是目前新药研究的新热点。由于蛋白-蛋白作用界面的特殊性和复杂性，针对该类体系的小分子药物/调控剂的研发非常具有挑战性。本项目旨在研究蛋白-蛋白相互作用的规律性，并尝试发展一种通用的靶向蛋白-蛋白作用界面的小分子设计策略，以帮助人们更好地发掘该类靶标在新药研发中的巨大潜力。我们提出基于氨基酸残基定义的作用模式，发展了一套用于挖掘蛋白-蛋白作用界面上特征作用模式的算法。对由PDB数据库中挑选出的1200多个非冗余的蛋白-蛋白作用界面进行系统分析，我们发现在不同的蛋白-蛋白作用界面上存在一些在几何空间和化学性质均保守的特征作用模式。这些特征作用模式反映了这些复合物在生物功能方面的关联。基于特征作用模式，我们还开发了一种预测蛋白-蛋白结合界面上热点残基的算法，并在多个数据集上进行了测试，表现出了良好的预测效果。另外，我们将特征作用模式的挖掘算法移植到蛋白-小分子作用界面上，以PDB中的蛋白-小分子复合物为基础构建了一个氨基酸残基与分子片段的作用模式库。该作用模式库可用于基于特征作用模式的片段搜索，结合基于片段的策略可应用于蛋白-蛋白作用界面的小分子设计中。我们在Bcl-2家族蛋白（包括Bcl-xL，Bcl-2和Mcl-1）与其结合多肽的作用体系上应用该策略，搜索获得可能与作用界面结合的分子片段类型，结合可合成分析，最终设计并合成了基于四大类骨架的81个化合物。经体外亲合性实验测定，有22个化合物至少在一个靶蛋白上表现出显著的亲合性(Ki<20μM)。值得一提的是，有部分化合物表现出对Mcl-1蛋白的选择性结合能力。通过比较新设计分子D11和已知抑制剂ABT-737的HSQC图谱，可以证实我们所设计的小分子化合物结合在蛋白相同的部位，从而也表明基于特征作用模式的分子设计策略具有可行性和有效性。该项研究成果为研发靶向蛋白-蛋白相互作用体系的新型药物奠定了方法学基础。