利用自由能计算实现激酶组选择性药物发现：以Wee1抑制剂为例的精准设计策略

本研究针对激酶抑制剂开发中普遍存在的选择性难题，创新性地将蛋白质残基突变自由能计算(PRM-FEP+)与配体结合自由能计算(L-RB-FEP+)相结合，建立了激酶组水平的选择性优化框架。通过Wee1抑制剂案例研究，研究人员成功发现多个新型骨架化合物，其选择性较临床候选药物AZD1775提升显著。该工作为靶向保守ATP结合口袋的激酶抑制剂开发提供了普适性计算策略，显著缩短了药物发现周期。

　　

在抗癌药物研发领域，激酶抑制剂因其明确的靶向性成为研究热点。然而激酶家族高度保守的ATP结合口袋使得选择性设计成为重大挑战，尤其对于Wee1这类调控细胞周期关键节点的激酶。现有临床候选药物如AZD1775因抑制PLK1等脱靶激酶导致严重毒性，迫使制药界寻求更精准的设计策略。这项发表于《Nature Communications》的研究，通过物理计算方法破解了这一行业难题。

研究团队开发了创新的计算框架：首先采用配体相对结合自由能计算(L-RB-FEP+)快速筛选新型骨架，随后引入蛋白质残基突变自由能计算(PRM-FEP+)模拟关键"选择柄"残基突变效应。该方法仅需模拟5种常见门控残基突变，即可预测化合物在整个激酶组的结合倾向，相比传统逐个激酶测试效率提升显著。研究选取403种人源激酶的scanMAX筛选面板和20种代表性激酶亚组进行实验验证。

在"新型强效骨架的快速发现"部分，通过60亿化合物空间的AutoDesigner枚举和手工设计，结合L-RB-FEP+筛选获得80个候选分子。其中5,6-并环(化合物2-3)和6,6-并环(化合物4-5)两类新型骨架展现出纳摩尔级Wee1抑制活性，且对PLK1选择性达1000倍。随后的"蛋白质残基突变自由能计算重现激酶组选择模式"揭示，不同骨架对Thr/Phe/Met等门控残基激酶的抑制谱存在显著差异，PRM-FEP+计算结果与实验数据相关性达91%。

在"基于PRM-FEP+的高效选择性优化"章节，研究团队展示了三个系列的优化历程。吡咯并嘧啶系列中，化合物10通过硫吩和吡唑哌啶修饰，将scanMAX命中率从47种(AZD1775)降至29种，同时保持0.7 nM的Wee1抑制活性。6,6-并环系列通过核心修饰获得化合物12，其仅抑制3种激酶且Wee1 IC₅₀达1 nM。三环骨架系列开发的化合物14则实现了1 nM效价和14种激酶抑制的优异平衡。晶体结构分析显示，这些化合物通过氰基(化合物10)、外环酰胺(化合物11)或内酰胺(化合物14)与门控残基Asn376形成差异化氢键网络。

技术方法上，研究主要采用：1)OPLS4力场下的自由能微扰(FEP+)计算，包括10-25 ns的λ窗口模拟；2)基于ADP-Glo的激酶活性检测体系；3)403种激酶的scanMAX高通量筛选；4)X射线晶体学解析复合物结构(PDB:9D0Q/R等)；5)癌细胞CDC2磷酸化等细胞水平验证。

在讨论部分，作者强调该策略可推广至其他蛋白家族：通过识别"选择柄"残基(如激酶中的二元结构单元)，PRM-FEP+可高效预测多靶点选择性。研究不仅解决了Wee1抑制剂临床毒性问题，更建立了"先L-RB-FEP+筛选效价，后PRM-FEP+优化选择性"的标准化流程。这种物理计算方法相比传统QSAR模型，能更准确捕捉结合自由能中的去溶剂化效应和熵变贡献，为针对保守结合位点的药物设计提供了新范式。