基于配体与结构预测模型整合的UGT介导II相代谢反应计算策略研究

《Journal of Cheminformatics》：Prediction of UGT-mediated phase II metabolism via ligand- and structure-based predictive models

本研究针对UGT介导的II相代谢预测难题，开发了融合机器学习和分子模拟的创新计算框架。研究人员通过整合AlphaFold结构建模、分子对接与随机森林算法，构建了UGT2B7/2B15代谢预测模型，首次实现配体描述符与结构指纹的共识分析。结果表明联合策略显著提升预测精度（MCC>0.5），证实AlphaFold结构在代谢研究中的可靠性，为早期药物安全性评价提供了新范式。

　　

药物代谢预测正成为药物发现早期阶段的关键技术，它能通过计算手段大规模评估候选化合物的稳定性和安全性。然而现有预测模型主要依赖配体属性（LB），缺乏对酶与底物识别机制的结构化洞察。尤其对于尿苷二磷酸葡萄糖醛酸转移酶（UGT）介导的II相代谢反应，由于人类UGT蛋白结构解析困难，迄今缺乏有效的结构基础（SB）预测模型。随着AlphaFold革命性蛋白结构预测技术的出现，终于为破解这一难题提供了契机。

本研究聚焦于临床重要的UGT2B7和UGT2B15同工酶，它们参与众多药物的清除过程并与药物相互作用（DDI）密切相关。研究人员通过整合多维计算技术，首次构建了融合配体与结构信息的机器学习预测模型，相关成果发表于《Journal of Cheminformatics》。

关键技术方法包括：从MetaQSAR数据库获取经人工校验的代谢数据集（373个底物/361个非底物）；采用AlphaFold预测的UGT2B7（AF-P16662-F1）和UGT2B15（AF-P54855-F1）结构；通过分子动力学（MD）模拟分析辅因子UDPGA与底物的结合机制；利用PLANTS进行分子对接并提取Rescore+评分函数和PLEC相互作用指纹；采用随机森林（RF）算法构建分类模型，并通过共识策略整合LB与SB预测结果。

Structural insights about cofactor and substrate recognition by UGT2B7 and UGT2B15

通过250ns分子动力学模拟发现，辅因子UDPGA优先结合于酶活性口袋（E-C复合物），其结合模式与植物糖基转移酶2C1Z晶体结构一致。聚类分析显示UGT2B7与(R)-denopamine（DNP）结合时，底物的酚羟基与催化残基H35³⁵形成氢键；UGT2B15与(S)-4-hydroxyphenytoin（p-HPPH）结合时，苯酚环朝向H35³⁵定位。结合自由能计算（MM-GBSA）证实先结合辅因子的三元复合物具有更低能量（ΔG值降低），为后续对接研究提供最优蛋白构象。

Chemical space analysis

主成分分析（PCA）基于26种物理化学描述符显示，底物与非底物样本在化学空间分布高度重叠（图3），证明负样本集包含可能发生葡萄糖醛酸化的官能团，有效避免模型偏差。训练集与测试集分布均匀，保障模型验证可靠性。

Classification models for the prediction of UGT2B7 and UGT2B15 mediated metabolism

LB模型（基于物理化学描述符）在测试集表现最佳（UGT2B7 MCC=0.52；UGT2B15 MCC=0.45）。SB模型中PLEC指纹模型（UGT2B15 MCC=0.43）与Rescore+评分模型（UGT2B7 MCC=0.41）显示良好判别能力。共识策略将三类模型预测集成后，准确率显著提升（表4），证明LB与SB方法提供互补信息。

Structural similarity analysis and applicability domain evaluation

基于ECFP4指纹的Tanimoto相似性（TS）分析表明，SB模型的适用域（AD）受训练集结构相似性影响较小（图4），而LB模型精度与TS高度相关。对接姿态分析成功预测吉非罗齐（gemfibrozil）羧基、氯霉素（chloramphenicol）伯醇基、(S-奥沙西泮（(S)-oxazepam）羟基和(R-柚皮素（(R)-naringenin）7-羟基为反应位点，与实验数据一致。

本研究开创性地将AlphaFold结构模型应用于代谢预测领域，证实了理论蛋白结构在SB建模中的可靠性。通过整合LB描述符与SB对接信息，构建的共识模型显著提升预测性能，为解决II相代谢预测难题提供了新范式。该策略可扩展至其他未解析结构的代谢酶研究，为早期药物发现中的药代动力学评估提供强大计算工具。研究同时揭示辅因子优先结合机制，为理解UGT催化过程提供关键结构见解。尽管当前模型未考虑蛋白诱导拟合效应，但已为后续柔性对接研究奠定坚实基础。