《Results in Chemistry》：Computational discovery of natural product-based anti-cancer agents targeting antiapoptotic family proteins through bioinformatics approach
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癌症是一种广义上的疾病，以细胞不受控制的增殖为特征，通常与抗凋亡蛋白的过表达相关，这扰乱了正常的凋亡过程，导致组织稳态失衡。异常凋亡在多种过程中发挥关键作用，包括增强细胞存活与增殖、肿瘤进展与转移、药物耐药及血管生成。抗凋亡蛋白（Bcl-2家族）因其调控凋亡过
癌症是一种广义上的疾病，以细胞不受控制的增殖为特征，通常与抗凋亡蛋白的过表达相关，这扰乱了正常的凋亡过程，导致组织稳态失衡。异常凋亡在多种过程中发挥关键作用，包括增强细胞存活与增殖、肿瘤进展与转移、药物耐药及血管生成。抗凋亡蛋白（Bcl-2家族）因其调控凋亡过程的能力而成为有前景的靶点。本研究旨在利用生物信息学方法鉴定Bcl-2家族蛋白的潜在植物化学抑制剂。研究人员从在线数据库中共获取了不同药用植物的698种生物活性化合物。随后进行虚拟筛选、分子对接和药代动力学分析，以预测每种植物化学物质与靶蛋白结构的结合相互作用。最后，研究人员对具有最有利结合能的前列蛋白-配体复合物进行了200 ns分子动力学（MD）模拟研究，以考察其结合稳定性和柔韧性。对接模拟显示，薯蓣皂苷元（Diosgenin）与Bcl-2（?9 kcal/mol）、Bcl-xL（?9.3 kcal/mol）、Bcl-w（?8.5 kcal/mol）和Mcl-1（?8.2 kcal/mol）表现出最强的结合亲和力。该分子在模拟时间内与对照（Obatoclax）相比表现出稳定的性能，表明薯蓣皂苷元是Bcl-2家族蛋白的潜在抑制剂。该测试化合物的药代动力学特性显示出有利且无毒的概况，支持其作为进一步研究的潜在先导化合物。因此，这些发现表明薯蓣皂苷元可作为抗凋亡蛋白的潜在抑制剂。然而，在临床应用前，需要进一步的临床前和临床研究以验证其治疗有效性和安全性。
**基于生物信息学方法的抗凋亡Bcl-2家族蛋白天然抑制剂发现研究解读**
**一、研究背景与问题**
癌症是一类以细胞失控性增殖为特征的疾病，其发生发展常伴随抗凋亡蛋白的过表达，导致正常凋亡程序受阻，进而破坏组织稳态。凋亡（apoptosis）作为机体清除受损、衰老及多余细胞的重要生理过程，其失调在肿瘤进展中起关键作用。Bcl-2家族蛋白是调控线粒体内在凋亡途径（MIP）的核心分子，其中抗凋亡成员（Bcl-2、Bcl-xL、Bcl-w、Mcl-1）通过抑制促凋亡蛋白（Bax/Bak）的寡聚化及线粒体外膜透化（MOMP），阻止细胞色素c释放和caspase级联激活，从而赋予癌细胞凋亡抵抗能力。现有靶向药物如ABT-737、ABT-263及venetoclax虽已取得一定疗效，但venetoclax选择性抑制Bcl-2而对其他家族成员效果有限，易产生耐药；此外，上游信号通路（如EGFR、PI3K、BRAF）靶向治疗也面临旁路激活导致的耐药问题。相比之下，泛Bcl-2家族抑制剂Obatoclax可同时靶向多个抗凋亡蛋白，但临床疗效仍不理想，且存在神经毒性等副作用。因此，开发新型广谱、低毒的Bcl-2家族蛋白抑制剂具有重要的临床意义。天然产物因其结构多样性和良好的生物活性，一直是抗癌药物发现的重要来源。
**二、研究目的与意义**
本研究旨在通过生物信息学方法，从8种药用植物（枸杞、天门冬、姜黄、菖蒲、辣木、马兜铃、短叶红豆杉和浆果红豆杉）的698种生物活性化合物中筛选靶向Bcl-2家族抗凋亡蛋白的潜在抑制剂。研究采用虚拟筛选、分子对接、分子动力学（MD）模拟、MM-PBSA自由能计算、药代动力学预测、毒性评估及密度泛函理论（DFT）等多种计算手段，系统评估候选化合物的结合亲和力、复合物稳定性、药物相似性和安全性，为开发新型天然抗癌药物提供理论依据。该研究发表于《Results in Chemistry》。
**三、主要技术方法**
研究人员采用多层级计算筛选策略：（1）从NPASS、IMPPAT和KNApSAcK数据库检索获取8种药用植物的698种生物活性化合物，并通过PubChem获取其3D结构；（2）利用AutoDock Vina进行分子对接，依据Lipinski五规则初筛并计算结合亲和力、抑制常数（Ki）和受体偏好裕度（RPM）；（3）对优选的蛋白-配体复合物执行200 ns的MD模拟，使用YASARA动力学软件和AMBER14力场，分析RMSD、RMSF、SASA、Rg、氢键数及动态交叉相关矩阵（DCCM）等指标；（4）通过MM-PBSA方法估算结合自由能；（5）采用SwissADME、ADMETlab 2.0和Deep-Pk平台预测药代动力学性质，ProTox-3平台评估毒性；（6）利用DFT计算前线分子轨道和分子静电势。
**四、研究结果**
**4.1 分子对接筛选与结合亲和力分析** 在698种化合物中，Diosgenin、Friedelin和Roridin E表现出优于对照Obatoclax的结合亲和力。其中，Diosgenin与Bcl-2、Bcl-xL、Bcl-w和Mcl-1的结合能分别达?9、?9.3、?8.5和?8.2 kcal/mol，均优于Obatoclax的对应分值。
**4.2 配体效率与受体偏好分析** 配体效率（LE）分析显示Obatoclax的LE值最高（?0.333至?0.346），Diosgenin次之（?0.273至?0.310），提示Diosgenin在结合亲和力与分子大小间取得了良好平衡。受体偏好裕度（RPM）分析表明Diosgenin对Bcl-xL的偏好性最高，受体偏好顺序为Bcl-xL＞Bcl-2＞Bcl-w＞Mcl-1，但各RPM值均为正，说明其对多个Bcl-2家族蛋白具有广谱结合潜力。
**4.3 蛋白-配体相互作用分析** 对接复合物分析显示，Diosgenin主要通过疏水相互作用与各靶蛋白结合。具体而言，与Bcl-2形成8个疏水接触（涉及Met-115、Val-156、Ala-149、Leu-137、Phe-104和Phe-112等残基）；与Bcl-w形成13个疏水相互作用和1个氢键；与Bcl-xL形成5个疏水相互作用；与Mcl-1形成9个疏水相互作用。残基接触指纹（RCF）分析发现Phe、Tyr和Leu是跨家族最保守的相互作用残基（75%接触频率）。
**4.4 分子动力学模拟** 200 ns MD模拟表明，Diosgenin与Bcl-2家族蛋白形成的复合物总体稳定。Bcl-xL-Diosgenin复合物RMSD平均值最低（0.91 ?），Bcl-2复合物RMSD平均为1.75 ?。RMSF分析显示各复合物的氨基酸波动与对照相当或更优。SASA和Rg分析提示Diosgenin复合物具有更紧凑的构象。氢键分析显示Diosgenin与Bcl-2、Bcl-xL和Mcl-1复合物的氢键数目高于对照。DCCM分析揭示了各复合物的协同与反协同运动模式。二级结构含量分析显示所有复合物在模拟期间均保持约60–80%的α-螺旋结构，无明显构象改变。
**4.5 结合自由能计算** MM-PBSA计算显示Diosgenin与Bcl-2、Bcl-xL、Bcl-w和Mcl-1的结合自由能分别为?17,359.76、?21,449.21、?23,749.61和?27,963.81 kJ/mol，其中与Bcl-2和Bcl-xL的亲和力高于对照。
**4.6 药代动力学与毒性评估** ADMET预测显示Diosgenin符合Lipinski和Veber规则，具有良好的水溶性、高胃肠道吸收和血脑屏障穿透能力，且不抑制主要CYP450同工酶。毒性预测表明Diosgenin仅表现出轻微免疫毒性，半数致死剂量（LD50）为8000 mg/kg，远高于Obatoclax的3066 mg/kg，安全性更优。
**4.7 密度泛函理论分析** DFT计算显示Diosgenin的HOMO-LOMO能隙为5.279 eV，与对照（3.224 eV）相比略高，表明其反应性和稳定性与对照接近。分子静电势（MEP）分析显示Diosgenin具有更大的电子密集区域，表现出更高的亲核性。
**五、讨论与结论**
讨论部分指出，Diosgenin通过占据BH3结合口袋的疏水凹槽，干扰抗凋亡蛋白与促凋亡蛋白的相互作用，从而可能恢复线粒体凋亡途径。既往体外和动物实验亦证实Diosgenin在多种癌细胞模型中具有抑制增殖、诱导凋亡和抗转移活性，支持本研究的计算发现。研究结论认为，Diosgenin作为一种源自天然产物的泛Bcl-2家族抑制剂候选分子，具有较高的结合亲和力、良好的药代动力学特征和较低的毒性，有望成为抗凋亡蛋白靶向抗癌药物开发的先导化合物。然而，本研究纯属计算预测，仍需系统的体外和体内实验来验证其治疗有效性、生物利用度及安全性，以推动其临床转化。
