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《合成生物學》|基于靶標結(jié)構的環(huán)肽分子計算設計

合成生物學, 2023, 4(3): 551-570 doi: 10.12211/2096-8280.2023-006

特約評述

基于靶標結(jié)構的環(huán)肽分子計算設計

王凡灝2, 來魯華1,2,3, 張長勝1,2

1.北京大學前沿交叉學科研究院定量生物學中心,北京 100871

2.北京大學化學與分子工程學院,北京分子科學國家研究中心,北京 100871

3.北京大學-清華大學生命科學聯(lián)合中心,北京 100871

Target structure based computational design of cyclic peptides

WANG Fanhao2, LAI Luhua1,2,3, ZHANG Changsheng1,2

1.Center for Quantitative Biology,Academy for Advanced Interdisciplinary Studies,Peking University,Beijing 100871,China

2.BNLMS,College of Chemistry and Molecular Engineering,Peking University,Beijing 100871,China

3.Peking -Tsinghua Center for Life Science,Peking University,Beijing 100871,China

摘要

環(huán)肽在調(diào)控蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用方面具有獨特的優(yōu)勢,在新藥研發(fā)領域受到了越來越多的關注。蛋白質(zhì)相互作用界面一般較大而平坦,相較于小分子化合物,環(huán)肽分子更容易獲得與這些靶標位點結(jié)合的高親和力和高特異性。相較于線性多肽或蛋白質(zhì),環(huán)肽結(jié)構一般具有更大的骨架剛性,更難被酶降解,從而在代謝上更穩(wěn)定,而且環(huán)肽更易于通過修飾改造增加跨膜活性,從而結(jié)合細胞內(nèi)的靶標蛋白。結(jié)構數(shù)據(jù)和結(jié)構建模方法是開發(fā)基于靶標結(jié)構計算設計環(huán)肽藥物的基礎。本文分析了蛋白質(zhì)結(jié)構數(shù)據(jù)庫中環(huán)肽與靶標蛋白結(jié)合情況,介紹了目前環(huán)肽構象生成或結(jié)構預測的四類主要算法;總結(jié)了基于靶標結(jié)構計算設計環(huán)肽分子的主要方法,包括基于分子對接的虛擬篩選方法、借助于動力學模擬的設計方法、從頭生成的設計方法以及具有跨膜活性的環(huán)肽設計方法;并展望了數(shù)據(jù)驅(qū)動的機器學習方法在環(huán)肽設計領域中的可能應用以及未來環(huán)肽藥物分子開發(fā)的可能方向。

關鍵詞: 環(huán)肽 ; 多肽藥物 ; 多肽設計 ; 構象生成

Abstract

Cyclic peptides (macrocycles) possess head-to-tail cyclic or partially cyclized substructures, which have received more and more attention in developing new drugs recently, since they have unique advantages in regulating protein-protein interactions (PPIs). Comparing to small-molecule compounds, it is easier to design cyclic peptide molecules that bind to target sites with high affinity and specificity, due to the broad and flat interfaces of PPIs and their large surfaces. Moreover, cyclic peptides are generally more rigid and difficult for digestion by proteases than their linear counterparts, making them more stable than linear peptides or proteins. Meanwhile, cyclic peptides are easier for modifications to increase transmembrane activity, targeting intracellular proteins through conformation adaptation or chemical modifications. 3D structure data and structure modeling technics are basis for designing structure based cyclic-peptide drugs. In this review, we assess the structures of cyclic peptides and target proteins available in protein structure database (PDB). Then, we review the algorithms of conformation generation or structure prediction for cyclic peptides, including homologous modeling, secondary structure prediction and optimization, backbone torsion sampling, and distance geometry method. We also summarize progress in target structure based computational design for cyclic peptides, including structure-based virtual screening, molecular dynamic simulation aided methods, de novo design algorithms, and the transmembrane cyclic peptide design. However, more generalized structure-based de novo design algorithms remains to be further explored, and methods to adopt unnatural amino acids or chemical modifications are also needs to be developed. It's worth noting that, with the increase of data for cyclic peptide 3D structures, the data-driven machine learning method may provide a more promising solution for improving the efficiency and effectiveness of structure based cyclic peptide de novo design and conformation generation to develop cyclic peptide drugs in the future.

Keywords: cyclic peptides ; peptide drugs ; peptidedesign ; conformation generation

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本文引用格式

王凡灝, 來魯華, 張長勝. 基于靶標結(jié)構的環(huán)肽分子計算設計合成生物學[J], 2023, 4(3): 551-570 doi:10.12211/2096-8280.2023-006

WANG Fanhao, LAI Luhua, ZHANG Changsheng. Target structure based computational design of cyclic peptidesSynthetic Biology Journal[J], 2023, 4(3): 551-570 doi:10.12211/2096-8280.2023-006


1 環(huán)肽藥物

蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用在生物體系中發(fā)揮了關鍵作用,很多相互作用體系,如酶/抑制劑、細胞因子/細胞膜受體、病原體/受體、細胞信號轉(zhuǎn)導蛋白質(zhì)作用、分子機器組裝體內(nèi)部作用、蛋白質(zhì)聚集等都被認為是潛在的重要靶標[1-4]。通過調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)相互作用可以提高藥物的專一性,減少藥物的毒副作用。蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用已經(jīng)成為國內(nèi)外藥物研發(fā)機構競相投入研發(fā)的藥物靶點[5-10]。

蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用界面一般較大而平坦,較難進行高專一性結(jié)合的小分子化合物設計。蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用界面面積通常為1500~3000 ?2,而小分子化合物總的溶劑可及表面積只有約150~500 ?2。相對于小分子,多肽分子可以提供較大的結(jié)合界面,并且具有易合成[11]、結(jié)合專一性強、毒性小、免疫原性小等獨特的優(yōu)勢[12-16]。使用天然多肽作為藥物,在調(diào)控分泌蛋白、細胞膜上受體等蛋白質(zhì)功能方面已取得了很大成功[17]。但由于天然多肽在很多情況下存在熱穩(wěn)定性差、易被蛋白酶降解、結(jié)合較弱的缺點,導致這些多肽分子在體內(nèi)的半衰期短、藥效弱[18-21]。所以,改造這些多肽分子或全新設計穩(wěn)定的多肽是藥物研發(fā)的重要目標[22-23]。

多肽分子的環(huán)化,如主鏈首尾形成酰胺鍵、殘基側(cè)鏈間形成二硫鍵或其他共價鍵,可以限制多肽的構象,是提高多肽藥物穩(wěn)定性的重要手段。環(huán)肽降低了肽鏈的柔性,因此還可以減少與靶蛋白結(jié)合的熵損失[24-30]。在天然氨基酸環(huán)肽的基礎上再引入N-甲基化氨基酸、D型氨基酸、類肽等非天然殘基可以更近一步解決易被蛋白酶水解等問題,并進一步拓寬其可設計化學空間[31]。天然產(chǎn)物與人工設計的環(huán)肽分子越來越多地用作調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用,例如HDAC抑制劑[32-34]、灰霉素[35]、CXCR4拮抗劑[36-37]、抑制HIF-1a/HIF-1b的cyclo-(CLLFVY)[35,38]等。

過去20年里經(jīng)FDA批準上市的環(huán)肽藥物有18種[39-40],包括激素類藥物和靶向藥,表1列出了這些藥物的結(jié)構和功能。

表1   已獲FDA批準的18種環(huán)肽類藥物匯總表

Table 1  Summary of 18 cyclic peptide drugs approved by FDA

名稱 結(jié)構 功能簡介
羅米地辛(Romidepsin) 靶向組蛋白去乙?;福哂锌拱┗钚?,用于治療T細胞淋巴瘤

伏環(huán)孢素

(Voclosporin)

靶向鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶,用于治療狼瘡性腎炎

齊考諾肽

(Ziconotide)

靶向G蛋白偶聯(lián)受體,N型鈣通道的有效和選擇性阻滯劑

利那洛肽

(Linaclotide)

鳥苷酸環(huán)化酶 C(GC-C) 激動劑

普卡那肽

(Plecanatide)

鳥苷酸環(huán)化酶-C(GC-C)激動劑

帕西瑞肽

(Pasireotide)

生長抑素類似物,靶向生長抑素受體,可以提高生長抑素受體的激動劑活性

蘭瑞肽

(Lanreotide)

生長素抑制劑的第二代類似物,靶向生長抑素受體,活性更高

加壓素

(Vasopressin)

一種抗利尿激素,靶向血管加壓素受體

特利加壓素

(Terlipressin)

一種人工合成的長效抗利尿激素,靶向血管加壓素受體

布美蘭肽

(Bremelanotide)

黑素皮質(zhì)素受體的激動劑,主要作用于MC3和MC4受體

賽美拉肽

(Setmelanotide)

黑素皮質(zhì)素受體的激動劑,主要作用于MC4受體

達托霉素

(Daptomycin)

一種環(huán)狀脂肽抗生素,破壞革蘭氏陽性菌的細胞壁

特拉萬星

(Telavancin)

萬古霉素的半合成衍生物,抑制革蘭氏陽性菌的細胞壁合成

達巴萬星

(Dalbavancin)

第二代脂糖肽抗生素藥物,比萬古霉素更有效,也針對細胞壁的生物合成

奧利萬星

(Oritavancin)

由氯霉素衍生的萬古霉素的合成類似物,抑制細菌細胞壁的合成

卡泊芬凈

(Caspofungin)

靶向1,3-β-葡聚糖合成酶,對侵襲性念珠菌病和其他形式的系統(tǒng)性真菌病有臨床療效

米卡芬凈

(Micafungin)

靶向1,3-β-葡聚糖合成酶,對侵襲性念珠菌病和其他形式的系統(tǒng)性真菌病有臨床療效

阿尼芬凈

(Anidulafungin)

靶向1,3-β-葡聚糖合成酶,對侵襲性念珠菌病和其他形式的系統(tǒng)性真菌病有臨床療效


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