基于整合分子对接、ADMET、分子动力学与DFT分析发现靶向PARP-1的三阴性乳腺癌潜在内生菌代谢物衍生抑制剂

《Letters in Drug Design & Discovery》：Discovery of novel endophytic metabolite derived potential PARP-1 inhibitors against triple negative breast cancer using integrated docking, ADMET, molecular dynamics and DFT analysis

　　

背景：三阴性乳腺癌（triple negative breast cancer, TNBC）是最具挑战性的亚型之一，且许多TNBC病例携带BRCA 1/2（Breast Cancer gene 1/2）突变，使癌细胞广泛依赖PARP-1（poly (ADP-ribose) polymerase-1）驱动的通路。抑制PARP-1可在BRCA 1/2突变乳腺癌细胞中诱导合成致死。然而，现有PARP-1抑制剂的耐药性和毒性特征促使发现新分子。目的：通过整合的计算机模拟（in silico）流程，探索内生菌次级代谢物及其衍生物作为针对TNBC的潜在PARP-1抑制剂候选物。方法：来自25篇文献来源的共238个内生菌次级代谢物采用分子对接针对PARP-1进行筛选，随后进行ADMET（吸收、分布、代谢、排泄和毒性）评价。所选化合物的设计衍生物进一步通过分子对接、ADMET分析和DFT（密度泛函理论）计算进行分析。最后，MD（分子动力学）模拟确认所选复合物的稳定蛋白-配体相互作用。结果：来自栖息于植物Argemone mexicana的Micrococcus luteus的10-Myrtenone, 10-(9-anthryl)-3-(alpha-methylbenzylamino)-（10Myr-9A-3αMBA）显示出对PARP-1的最高预测结合亲和力（?11.7 kcal/mol），并具有有利的ADMET性质。设计10个衍生物，其中5个表现出可接受的结合和药代动力学性质。对母体化合物及其两个衍生物的MD模拟后分析确认复合物的刚性结合。随后，这些化合物的DFT分析确认其有利的电子稳定性。讨论：该研究强调内生菌代谢物作为TNBC管理的新型PARP-1抑制剂先导候选物来源的潜力。所鉴定化合物及其有希望的衍生物表现出强预测结合亲和力、有利药代动力学性质和稳定蛋白-配体相互作用，在计算分析中与参考抑制剂相当。结论：该计算机模拟研究鉴定出有希望的计算机预测PARP-1抑制剂候选物，可能为TNBC治疗提供新支架。关键的是，尽管这些计算机预测候选物显示出强计算机模拟潜力，仍需强制性的体外和体内实验验证以确认其生物学疗效和安全性特征。

三阴性乳腺癌（triple negative breast cancer, TNBC）因受体阴性及分子异质性，靶向治疗选择有限；约10–20%患者携带BRCA1/2（Breast Cancer gene 1/2）突变。BRCA1/2参与双链DNA断裂（double-strand breaks, DSBs）修复，突变后未修复单链断裂（single-strand breaks, SSbs）增加，并可能对烷化剂等药物耐药。PARP-1（poly (ADP-ribose) polymerase-1）识别SSbs，通过聚ADP-核糖基化（poly ADP-ribosylation, PARylation）修复DNA；其ART（ADP-ribosyl transferase）亚域结合NAD⁺并转移ADP-核糖基。已批准PARP-1抑制剂如olaparib竞争NAD⁺结合位点，破坏PARylation并导致细胞死亡；该策略对BRCA1/2突变肿瘤细胞具有选择性致死作用，而具有功能性BRCA1/2的健康细胞可免受影响。现有抑制剂存在耐药和毒性，需发现新分子。内生菌次级代谢物结构多样，可能提供新骨架；计算流程可用于候选筛选和衍生物优化。研究目的为从内生菌次级代谢物中计算预测PARP-1抑制剂候选，并设计母体化合物衍生物；其意义在于为TNBC治疗提供潜在新支架，但需实验验证。研究人员从25篇文献来源收集238个内生菌次级代谢物，针对PARP-1催化域进行分子对接，随后进行ADMET评价；选择10Myr-9A-3αMBA为母体，设计10个衍生物，进一步对接、ADMET和DFT分析；最后以MD模拟确认母体及两个衍生物复合物稳定。结论为母体及B、H等具有强预测结合、有利药代动力学和稳定相互作用，与参考抑制剂olaparib在计算分析中相当或部分超过，提供候选支架。主要技术方法概括：采用AutoDock Vina/PyRx将238个来自25篇文献的内生菌次级代谢物及olaparib对接至人PARP-1催化域（PDB ID: 4PJT；662–1014 aa；ART亚域785–1014 aa），以重对接RMSD验证；用SwissADME、pkCSM、ProTox-3.0和PASS评估类药性、ADMET和生物活性；用RDKit按SAR设计并SA评分衍生物；用Desmond（OPLS_2005，100 ns，TIP3P，0.15 M NaCl，Na⁺/Cl^-中和）进行MD、MM-GBSA、PCA和DCCM；用ORCA 6.1.1在B3LYP/6–31G(d,p)水平进行DFT与FMO分析。样本来源：238个代谢物来自25篇文献；母体来自栖息于Argemone mexicana的Micrococcus luteus。研究结果如下。3.1 对接方案验证：共晶配体重对接RMSD为0.2835 ?，低于2 ?阈值；五种临床批准PARP-1抑制剂均进入催化口袋并与关键残基相互作用，支持对接方案可靠。3.2 先导化合物选择与衍生物设计：筛选和ADMET后选择10Myr-9A-3αMBA（CID ID: 571447）为母体；生成10个衍生物（A–J），记录2D结构、IUPAC名称、分子量和SA评分。3.3 分子对接研究：238个代谢物对接排序后选前十做ADMET；母体对接?11.7 kcal/mol；衍生物H、I、C、B、D分别为?12.3、?11.4、?11.3、?10.5、?10.3 kcal/mol；H优于olaparib（?12.2）。选母体及B、C、D、H、I后续分析；扩展芳香取代基改善对接，H具扩展芳香框架、氨基氢键能力和空间互补。3.4 蛋白-配体相互作用研究：olaparib与GLY863形成两个氢键；母体与TYR896、HIS862氢键；B与ASP766；C、D无氢键；H与ASP766、HIS862；I与GLY894、HIS862。所选配体与olaparib共享TYR907、TYR896、HIS862等结合残基，表明可抑制蛋白。3.5 类药性：所有配体符合Lipinski五规则（MW<500 g/mol，iLOGP<5，HBD<5，HBA<10），QED评估TPSA 20–130 ?²、重原子15–50、可旋转键0–10；无PAINS警报，但均有1个Brenk警报。3.6 ADME与毒性：所有化合物水溶性中低（log S ?4.014至?5.423），GI吸收优于对照；均为P-gp底物；母体和多数衍生物分布较低，D的Log VDss 0.463高于对照；母体BBB渗透，其他中等；多数不抑制CYP2D6（D、I例外），B、H抑制CYP1A2，均为CYP3A4底物；清除率中等，C较差；ProTox-3显示均属毒性4类，肝毒性、致癌性、免疫毒性、致突变性、细胞毒性均不活跃；除B完全安全外，其余有轻度神经毒性但低于对照。结论ADMET可接受，D/I接近olaparib。3.7 生物活性研究：PASS显示母体抗炎和PGE1拮抗活性中低置信；B在乳腺癌相关多靶点中相对较高（抗炎Pa=0.597、AR抑制0.421、磷酸酶抑制0.495），提示多靶点潜力但置信中低。3.8 MD模拟研究：对对照、母体、B、H复合物100 ns MD。3.8.1 RMSD：所有体系平衡后稳定，对照2.0–2.8 ?，母体2.1–3.0 ?，B 2.3–3.1 ?，H初期3.1 ?后1.8–2.5 ?；复合物稳定。3.8.2 RMSF：多数残基<2 ?；56–62、79–81、113–115等环/表面区波动高；母体在GLN722峰9 ?，B在GLU795额外4 ?；结合未显著改变骨架柔性。3.8.3 R_g：对照4.7–5.7 ?，母体4–4.4 ?，H 4.1–4.3 ?，B 3.5–3.8 ?，配体紧凑。3.8.4 SASA：对照37.8–198.7 ?²，母体14.1–114.5，B 25.9–211.7，H 21.2–209.8；母体更埋藏，B更灵活，H 25 ns后类似母体。3.8.5 蛋白-配体接触谱：对照与ASP770氢键>0.5、水桥>1.0、TYR907疏水~0.75，并与HIS862、ARG865、ARG878接触；母体与TYR889~0.75、TYR896~1.1、TYR907~0.55疏水/水桥；B与GLU988氢键>0.7、TYR907~0.75，TYR896、LYS903贡献；H相互作用密度最高，TYR889~1.3、TYR896~1.4，ARG878、GLY894、TYR907稳定贡献。3.8.6 MM-GBSA：平均结合自由能对照?248.82±4.45，母体?241.26±4.18，B?235.54±3.47，H?233.87±2.02 kcal/mol；范德华力主导（?213.83、?203.27、?202.97、?204.96 kcal/mol），亲脂作用稳定，GB溶剂化不利。对照和母体更负。3.8.7 PCA：PC1方差对照32.27%、母体20.42%、B22.31%、H20.27%；衍生物优势运动更受限。3.8.8 DCCM：对照与B正相关模式相似，母体正相关程度不同，H在150–300残基正相关增加并具强反相关区；集体残基运动存在差异。3.9 DFT分析：3.9.1 热化学分析：电子能量?1195.4044至?1535.7789 Eh，H最低；H焓和Gibbs自由能最低；因分子组成/大小不同绝对热化学值不宜直接比较稳定性；ZPE 0.4816–0.5745 Eh；偶极矩母体3.4984、B3.2728、H1.4801 Debye。3.9.2 FMO分析：母体、B、H的HOMO为?4.932、?5.193、?5.438 eV，LUMO为?1.417、?1.699、?2.100 eV，能隙3.515、3.494、3.338 eV；H能隙最小、硬度最低1.669 eV、软度最高0.599 eV^?1、化学势最负?3.769 eV；提示相对较高电子软度和反应性，但三者能隙中等。讨论部分总结：BRCA1/2突变TNBC同源重组缺陷，依赖PARP-1单链修复，抑制PARP-1致DNA损伤和合成致死；olaparib竞争NAD⁺位点；耐药和异质性支持新候选。研究筛选238个代谢物，母体来自Micrococcus luteus/Argemone mexicana；10个衍生物中B、C、D、H、I对接和ADMET较好；SA 4.29–4.55为中等可合成性；H对接?12.3优于olaparib?12.2，母体?11.7；olaparib与GLY863氢键，母体/H/I保留TYR907、TYR896、HIS862疏水，HIS862参与母体/H/I氢键；类药性符合Lipinski/QED，一个Brenk警报但非严格排除；ADMET总体可接受，B完全无毒，其他轻度神经毒性低于对照；PASS B/D多靶点潜力；MD验证稳定性，对接与MD接触残基差异因柔性和溶剂；MM-GBSA对照和母体更负；DFT显示中等能隙和电子稳定性。研究结论翻译：该计算机模拟研究鉴定出有希望的计算机预测PARP-1抑制剂候选物，可能为TNBC治疗提供新支架。关键的是，尽管这些计算机预测候选物显示出强计算机模拟潜力，仍需强制性的体外和体内实验验证以确认其生物学疗效和安全性特征。