黄酮醇-氰吡啶杂合物作为LSD1抑制剂的计算研究：评估FAD对结合亲和力和抑制作用的影响

《Biochemistry and Biophysics Reports》：Computational study of chalcone-cyanopyrimidine hybrids as LSD1 inhibitors: Assessing the influence of FAD on binding affinity and inhibition

分子对接、MM-GBSA、MD模拟和ADME分析显示，设计的2912种chalcone-cyanopyrimidine hybrids作为LSD1抑制剂具有高亲和力，其中Molecule 4在存在FAD时结合最稳定，且多数化合物符合Lipinski规则，但存在肝毒性风险。

　　在当前癌症治疗领域，药物研发一直面临着诸多挑战，尤其是在减少系统性毒性和提高治疗效果方面。由于癌症的复杂性和多样性，科学家们不断探索新的分子靶点，以期找到更有效的治疗策略。其中，赖氨酸特异性去甲基化酶1（LSD1）作为一种关键的表观遗传调节因子，因其在肿瘤发生、存活和耐药性中的重要作用，成为药物开发的重要目标。本文旨在通过计算化学方法，评估一系列新型的查尔酮-氰基嘧啶杂交分子作为LSD1抑制剂的潜力，并探讨辅酶FAD在这一过程中的作用。

### LSD1及其在癌症中的重要性

LSD1，也被称为KDM1A，是一种能够催化组蛋白去甲基化的酶，主要作用于组蛋白H3的第4和第9位赖氨酸残基。这种去甲基化过程对于调控基因表达、细胞分化、增殖和凋亡至关重要。研究表明，LSD1的异常表达或功能失调与多种癌症密切相关，包括白血病、乳腺癌、前列腺癌和胃癌等。因此，LSD1成为抗肿瘤药物开发的一个重要靶点。抑制LSD1的活性可以有效减缓肿瘤的生长和转移，为癌症治疗提供了新的思路。

### 为什么选择查尔酮和氰基嘧啶作为药物设计的基团

查尔酮是一类具有α, β-不饱和羰基结构的化合物，因其在多种癌症治疗中的潜力而受到广泛关注。这些化合物能够诱导细胞凋亡、阻止细胞周期并抑制肿瘤转移，显示出良好的抗癌活性。另一方面，氰基嘧啶衍生物因其在抗癌药物中的广泛应用而被认为是一个重要的化学骨架。例如，FDA批准的抗癌药物如5-氟尿嘧啶、吉西他滨和卡培他滨等均含有嘧啶环。此外，一些研究发现，含有氰基的化合物在抗癌药物设计中具有重要意义，如阿那斯特azole、比卡鲁胺和阿帕鲁胺等药物。这些研究为设计结合查尔酮和氰基嘧啶结构的杂交分子提供了理论基础。

基于上述背景，研究者提出了将查尔酮和氰基嘧啶结构融合的新型杂交分子，以期获得更有效的LSD1抑制剂。该设计基于对现有抗癌药物的深入研究，结合了两种具有抗癌潜力的分子结构，以期通过协同作用增强药物的活性和选择性。

### 分子对接分析

为了评估这些杂交分子与LSD1的结合能力，研究者采用了分子对接技术。分子对接是一种计算方法，用于预测小分子与蛋白质的结合模式和结合亲和力。在本研究中，分子对接被用于分析三种不同的结合位点：FAD结合位点、天然配体结合位点（在存在FAD的情况下）以及天然配体结合位点（在不存在FAD的情况下）。通过比较这些不同条件下的结合亲和力，研究者希望了解FAD在LSD1抑制过程中的作用。

分析结果显示，这些杂交分子在三种不同的对接方式中均表现出良好的结合亲和力。其中，Molecule 1在FAD结合位点的对接中显示出最高的结合亲和力，达到-12.145 kcal/mol，远高于现有的参考药物，如Brigatinib（-8.373 kcal/mol）、Licochalcone A（-8.955 kcal/mol）、GSK 2879552（-7.899 kcal/mol）和Tranylcypromine（-5.974 kcal/mol）。此外，Molecule 4在天然配体结合位点（存在FAD的情况下）表现出较高的结合亲和力（-7.357 kcal/mol），而Molecule 22在天然配体结合位点（不存在FAD的情况下）的结合亲和力也较高（-8.143 kcal/mol）。这些结果表明，这些杂交分子在不同结合位点上均具有良好的结合能力。

### MM-GBSA分析

为了进一步验证分子对接的结果，研究者还采用了MM-GBSA（分子力学-广义Born-表面积）方法，这是一种用于估算分子复合物结合自由能的计算方法。通过MM-GBSA分析，研究者计算了这些杂交分子与LSD1结合的自由能，以评估其结合稳定性。结果显示，这些分子的结合自由能范围在-50.90到-99.95 kcal/mol之间，其中Molecule 23的结合自由能最高，达到-99.95 kcal/mol。这表明，Molecule 23在结合LSD1时具有较高的稳定性和亲和力。

此外，Molecule 1虽然在分子对接中表现出最高的结合亲和力，但在MM-GBSA分析中其结合自由能略低于其他分子，这可能意味着其结合稳定性不如Molecule 23。然而，Molecule 1的结合自由能仍然优于大多数其他测试分子，显示出良好的结合潜力。同样，Molecule 4和Molecule 22在各自的结合位点上也表现出较高的结合自由能，进一步支持了它们作为LSD1抑制剂的潜力。

### ADMET预测与毒性分析

除了结合亲和力，药物的药代动力学和毒理学特性也是评估其作为候选药物的重要指标。因此，研究者还对这些杂交分子进行了ADMET（吸收、分布、代谢、排泄和毒性）预测。通过SwissADME和pkCSM等在线工具，研究者分析了这些分子的吸收、分布、代谢、排泄以及潜在的毒性风险。

结果表明，这些分子大多符合Lipinski规则，即具有良好的口服生物利用度。其中，Molecule 11和Molecule 26的分子量最低，分别为536.64 g/mol和536.64 g/mol，接近Lipinski规则的上限，表明它们在药物设计中具有良好的潜力。此外，所有测试分子的生物利用度评分均在0.55左右，表明它们能够进入全身循环，具有良好的吸收能力。

在毒性分析方面，所有测试分子均显示出一定的肝毒性，但 Ames 毒性测试结果不一。其中，Molecules 5、7、8、15、17、18、23和25表现出一定的Ames毒性，表明它们可能具有致突变性。然而，其他分子则没有明显的Ames毒性，显示出较低的致突变风险。此外，所有测试分子均未表现出皮肤致敏性，表明它们在皮肤给药方面具有良好的安全性。

### 分子动力学模拟分析

为了进一步验证分子对接和MM-GBSA的结果，研究者还进行了分子动力学（MD）模拟。MD模拟是一种用于研究分子在体液环境中的动态行为的方法，能够评估蛋白质-配体复合物的稳定性。研究者选择了Molecule 1、Molecule 4和Molecule 22作为研究对象，分别在FAD结合位点、天然配体结合位点（存在FAD）和天然配体结合位点（不存在FAD）进行了MD模拟。

结果显示，Molecule 4在存在FAD的情况下表现出最高的RMSD（均方根偏差）稳定性，表明其在模拟过程中结构较为稳定。相比之下，Molecule 1和Molecule 22在模拟过程中表现出较大的结构波动，尤其是在模拟的前半段。然而，随着模拟时间的推移，Molecule 1和Molecule 4的结构逐渐趋于稳定，而Molecule 22的稳定性较低，表明其在结合LSD1时可能不够稳定。

在RMSF（均方根波动）分析中，Molecule 4表现出较低的波动值，表明其在与LSD1结合后结构较为稳定。相比之下，Molecule 1和Molecule 22的波动值较高，表明它们在结合过程中可能更容易发生构象变化。此外，PL（蛋白质-配体）接触图显示，Molecule 4与LSD1的结合主要通过氢键和疏水相互作用，而Molecule 1和Molecule 22则表现出更多的氢键和离子相互作用，这可能与其较高的结合亲和力有关。

### 结论

本研究通过分子对接、MM-GBSA分析、ADMET预测和分子动力学模拟，系统评估了新型查尔酮-氰基嘧啶杂交分子作为LSD1抑制剂的潜力。结果显示，这些分子在不同结合位点上均表现出良好的结合亲和力和稳定性，尤其是在存在FAD的情况下。此外，这些分子在ADMET预测中也显示出良好的药代动力学特性，表明它们在药物开发中具有一定的可行性。

然而，研究也指出，尽管这些分子在计算模型中表现出良好的结合亲和力，但在实际应用中仍需进一步的实验验证。因此，未来的研究应优先考虑合成这些分子，并进行体外酶抑制实验、细胞实验以评估其表观遗传活性，以及体内实验以确定其药代动力学、生物利用度和治疗效果。通过这些步骤，可以进一步优化这些分子，使其成为具有临床应用潜力的新型抗癌药物。