基于反应机理的肽酰基精氨酸脱亚胺酶4（PAD4）抑制剂的虚拟筛选

Peptidylarginine deiminase 4 (PAD4) is a kind of post-translational modifying enzyme. It catalyzes the hydrolysis of peptidylarginine residue to form citrulline residue and ammonia. Dysregulation of PAD4 is linked to the onset and progression of rheumatoid arthritis (RA), PAD4 represents a new therapeutic target for RA. In addition, PAD4 plays a pivotal role in gene regulation by deiminating multiple transcriptional regulators, such as p300, and histones H2A, H3, and H4. Thus, there is significant interest in developing inhibitors of PAD4. For rational design of PAD4 inhibitors, it is paramountly important to understand the detailed mechanism concerning how the enzyme is inhibited. We will calculate the mechanism of PAD4 inhibition by F-amidine using the quantum mechanical/molecular mechanical method to reveal the rate-determining transition state. In addition, we will perform molecular dynamic simulations to get multiple conformational states of PAD4 in the transition state and the reactant comlex. Subsequently, we will do pharmacophore modelling, molecular docking and virtual screening on the basis of multiple confomational states of PAD4. Finally, we will carry out PAD4 inhibitory assay for the selected conpounds from virtual screening hit list and get potent PAD4 inhibitors.

肽酰基精氨酸脱亚胺酶4（PAD4）是一种转录后修饰酶。它催化肽链中的精氨酸残基脱去亚胺基，生成瓜氨酸残基。PAD4活性失调与类风湿性关节炎（RA）的发生与发展有关，PAD4 被认为是开发RA 治疗药物的一种新靶酶。另外，PAD4能够使转录调控子（如p300、组蛋白H2A、组蛋白H3、组蛋白H4）脱去亚胺基，在基因调控中也起着重要的作用。因此，设计PAD4的抑制剂具有非常重要的意义。为了合理地设计PAD4的抑制剂，首先要理解PAD4被抑制的机理。我们拟采用量子力学和分子力学相结合的方法，研究氟脒抑制PAD4的机理，揭示其决速步骤的过渡态结构。另外，我们将通过分子动力学模拟，并通过聚类分析，找到过渡态和反应复合物时的PAD4的代表性构象。然后，分别以过渡态和反应复合物时的PAD4的代表性构象为基础，构建药效团、分子对接，进行虚拟筛选。最后通过活性测试，找到对PAD4具有抑制活性的化合物。

肽酰基精氨酸脱亚胺酶4（PAD4）是一种转录后修饰酶。它催化肽链中的精氨酸残基脱去亚胺基，生成瓜氨酸残基。PAD4活性失调与类风湿性关节炎（RA）的发生与发展有关，PAD4 被认为是开发RA 治疗药物的一种新靶酶。另外，PAD4能够使转录调控子（如p300、组蛋白H2A、组蛋白H3、组蛋白H4）脱去亚胺基，在基因调控中也起着重要的作用。因此，设计PAD4的抑制剂具有非常重要的意义。我们采用量子力学和分子力学相结合的方法，研究了氟脒抑制PAD4的机理，揭示了PAD4-氟脒复合物活性中心关键氨基酸残基Cys645是以去质子化状态存在、而His471以质子化状态存在（State I）；氟脒对PAD4的抑制是由Cys645的Sγ对氟脒Cζ的亲核进攻引起，形成一个四面体中间体。His471提供质子协助F原子的离去，同时，Sγ与氟脒的Cζ以及Cη形成三元环，三元环裂解，重排生成硫醚产物，使PAD4活性得到抑制。另外，我们从前面的机理研究中的过渡态出发，通过分子动力学模拟、聚类分析，找到过渡态时PAD4的代表性构象，构建出了一个基于过渡态结构的动态药效团。然后，用该药效团和分子对接方法对NCI数据库进行了虚拟筛选，筛选出了40个化合物，并挑选了13个化合物进行合成。最后，通过活性测试，找到了2个对PAD4具有抑制活性的化合物。