计算机模拟药物重定位：虚拟筛选与分子动力学模拟鉴定出可作为人类氨酰-tRNA合成酶潜在配体的FDA批准候选药物——该酶与遗传疾病相关

《Gene Reports》：In silico drug repurposing: Virtual screening and molecular dynamics simulations identify FDA-approved candidates as potential binders of human aminoacyl-tRNA synthetases implicated in genetic disorders

　　

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  筛选了包含2,631种FDA批准药物的药库，针对五种aaRS靶点进行了筛选
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  涵盖了胞质型（KARS、MARS、DARS）和线粒体型（FARS2、RARS2）aaRS
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  活性化合物筛选由一名治疗ARS缺乏症患者的儿科神经科医生完成，优先考虑在儿童中具有明确安全性的药物

引言

氨酰-tRNA合成酶（aaRSs）是一类古老且至关重要的酶，负责催化氨基酸活化反应，将每种氨基酸连接到其对应的tRNA上，从而在所有生物体中将遗传密码与蛋白质生物合成联系起来（CR等，2000；M和D，2000；F等，2020）。该酶促反应通过一个两步、ATP驱动的过程进行，首先氨基酸被活化形成氨酰-腺苷酸中间体并伴随焦磷酸的产生，随后氨酰-tRNA的3′端完成连接（M，1995；MA和M，2020）。为确保氨基酸活化的精确性，aaRS能够区分正确和非正确的底物，且部分酶具有校对结构域，可切除错误活化的氨基酸（R等，1998；J等，2009）。从结构角度来看，这些酶分为两个进化上相互独立的类别：I类和II类。在人类中，37个核DNA基因编码aaRS的胞质型（ARS1）和线粒体型（ARS2）形式，其中部分酶除了参与翻译外还具有额外功能（P和Z，2003；G等，1990；M等，2010；N等，2019）。作为蛋白质组调控的重要酶类，aaRS基因突变会导致人类多种疾病，这已得到所有37个已知人类ARS基因均与病理相关这一事实的证明（AK等，2022；P和PL，2013）。这些致病机制遵循两个主要原则：胞质型氨酰-tRNA合成酶的显性单等位基因致病突变通常导致晚发性进行性周围神经病，包括Charcot–Marie–Tooth（CMT）病，而双等位基因突变则导致早发性严重的多系统线粒体疾病，累及中枢神经系统、肝脏、肺脏及其他器官（A和ED，2008；R和A，2017；SA等，2019；M等，2017；H等，2021）。在分子水平上，氨基酸活化功能障碍有不同的机制：氨基酸活化功能丧失、tRNA结合或二聚化丧失、毒性功能获得性相互作用，以及误翻译——其中未负载tRNA的增加会激活GCN2介导的整合应激反应并导致神经退行性变（Blocquel等，2019；Spaulding等，2021；Zuko等，2021；Lant等，2019；Dong等，2000）。尽管新一代测序方法的出现促进了许多致病变异的发现，但其中大多数仍被认为是意义不明确的变异（VUS），因此需要进一步的功能研究和治疗（Richards等，2015；Cheng等，2023；Mendes等，2026）。aaRS相关疾病的治疗方案主要是对症治疗。新的等位基因特异性方法，如对应氨基酸补充、对应tRNA供给、整合应激反应抑制以及基因治疗，已显示出一些令人振奋但效果因靶点而异的异质性效果（Samuels等，2025；Kok等，2021；Ward等，2024；Stavrou和Kleopa，2024；Lee等，2018；Hoytema van Konijnenburg等，2025）。

通过小分子调控人类氨酰-tRNA合成酶（aaRSs）在罕见病领域仍处于研究不足的状态，尽管aaRS已被认为是治疗传染病、纤维化、癌症等疾病的优质可成药靶点（MA等，2022；A等，2024；Kim等，2020；Cai等，2025；Kwon等，2019）。在此方面，计算药物重定位成为一种有前景的方法，因为它筛选的是已经具备安全性和药代动力学信息的化合物，其中基于结构的虚拟筛选和分子动力学模拟有助于选择与相关靶点结合的候选配体（MA等，2022；A等，2024；Kwon等，2019）。本研究采用了一条计算机模拟药物重定位流程，包括基于结构的虚拟筛选和分子动力学模拟，对五种与遗传性疾病相关的人类aaRS（KARS、MARS、DARS、FARS2和RARS2）中的FDA批准药物进行筛选。目标是在其催化口袋中发现值得实验研究的相互作用的重定位候选药物。由于aaRS缺陷所致疾病的异质性，催化位点结合的治疗策略取决于靶点和疾病机制。对于功能丧失突变（占大多数疾病），假设提出如果催化位点被化合物稳定并结合，可能会提高氨基酸活化和蛋白质翻译的准确性，从而改善线粒体功能。然而，对于功能获得突变（相对较少），则需要抑制作用。

章节摘要

蛋白质结构与准备

从蛋白质数据库（PDB）获取了人类KARS（PDB编号：6CHD）、MARS（PDB编号：5GOY）、DARS（PDB编号：4J15）、FARS2（3CMQ）和RARS2（PDB编号：4ZAJ）的三维（3D）晶体结构。对于每种蛋白质，移除了晶体学水分子，并在Maestro中使用一步蛋白质准备模块完成蛋白质准备，准备好的蛋白质以Maestro 2017专用格式"mae"保存。未对默认设置进行更改。

配体库

一个包含2631种化合物的完整药库

虚拟筛选结果

对2631种FDA批准药物针对五种aaRS靶点（KARS、MARS、DARS、FARS2和RARS2）进行虚拟筛选，获得了几种预测结合亲和力较高的化合物。在进行对接实验之前，通过对仅有单一配体的三个靶点的天然晶体学配体进行重对接来验证方案。重对接获得的构象与实验测定的结合构象相似，RMSD分数极低（MARS：

讨论

在本整合性计算研究的框架下，有计算证据表明，筛选出的已批准药物能够结合与罕见遗传病相关的人类氨酰-tRNA合成酶。通过多步骤方法，包括基于结构的虚拟筛选与分子动力学研究的结合，本研究成功确定了五种有前景的药物候选物，用于进一步研究FARS2、KARS、MARS、DARS和RARS2，分别为

结论

本研究采用了一项全面的计算机模拟药物重定位流程，包括对2631种FDA批准药物的虚拟筛选和分子动力学模拟，以鉴定五种涉及罕见遗传病的氨酰-tRNA合成酶（KARS、MARS、DARS、FARS2和RARS2）的候选结合物。通过对FDA批准药物进行虚拟筛选，发现的候选结合物为左西替利嗪、阿立哌唑、阿替洛尔、卡马西平和阿米替林，

CRediT作者贡献声明

Mojgan Nejabat：撰写–初稿，研究。Bita Barazandeh Shirvan：研究，数据整理。Narges Hashemi：撰写–审阅与编辑，概念构思。Najmeh Ahangari：方法学，研究。Mahsa Shirali：可视化，正式分析。Mehran Beiraghi Toosi：撰写–审阅与编辑，指导，概念构思。Farzin Hadizadeh：撰写–审阅与编辑，指导，项目管理，概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

致谢

作者感谢伊朗马什哈德医科大学药学院的生物信息学实验室为模拟研究提供先进的计算设施。

Mojgan Nejabat|Bita Barazandeh Shirvan|Narges Hashemi|Najmeh Ahangari|Mahsa Shirali|Mehran Beiraghi Toosi|Farzin Hadizadeh