通过原子级模拟表征溶液中PROTAC降解剂的构象集合

《Physical Chemistry Chemical Physics》：Characterizing the conformational ensemble of PROTAC degraders in solutions via atomistic simulations

靶向蛋白质降解PROTACs的构象行为研究通过原子级模拟揭示溶剂效应，提出增强采样与偏置自由能面新方法，分析MZ1在水和氯仿中 collapsed构象及DMSO中 extended构象，证实溶剂影响膜渗透性，为优化PROTAC设计提供依据。

　　

靶向蛋白质降解已成为开发新型治疗方法的一种有前景的策略，尤其是针对那些难以用传统药物靶向的“不可成药”疾病相关蛋白。其中一种方法是使用蛋白酶体靶向嵌合体（PROTACs）降解剂，这类降解剂能够促使目标蛋白与E3连接酶形成三元复合物，从而导致目标蛋白的泛素化及降解。了解PROTACs在溶液中的构象行为及其与药代动力学特性和膜通透性的关系，对于优化PROTAC的设计和疗效至关重要。由于PROTACs体积较大且具有高度灵活性，因此必须深入理解其构象变化及其对环境条件的依赖性。在这里，我们介绍了一种利用原子模拟方法探索PROTAC构象行为的新方法。我们采用了增强采样并行偏置元动力学（enhanced sampling parallel bias metadynamics）技术，通过偏置特定的局部集体变量（尤其是所有可旋转的二面角）来避免寻找合适的全局集体变量所带来的挑战。该方法通过重新加权（reweighting）过程能够获得这些全局集体变量的自由能表面。我们将这种方法应用于MZ1 PROTAC降解剂的典型案例——该降解剂通过von Hippel-Lindau（VHL）E3连接酶来降解含有溴结构域的蛋白-4（BRD4），并阐明了其在不同溶剂中的构象行为，从而揭示了MZ1的“变色龙”特性（即其构象会根据环境条件发生变化）。研究结果表明，MZ1在不同溶剂中呈现出不同的构象：在水中和氯仿中呈折叠构象，而在DMSO中呈伸展构象。在氯仿中的折叠构象与蛋白质的细胞通透性增加有关。这说明MZ1在非极性环境中能够采取适合膜通透性的构象。我们的方法框架普遍适用于像PROTAC这样的大型灵活分子，实验结果证明了其有效性，为其他PROTAC及其他“非规则五原则”（beyond-rule-of-5）药物候选物的研究奠定了基础。这项工作为PROTAC的设计与优化提供了宝贵的见解，最终有助于开发针对“不可成药”蛋白的新疗法。