ACS Cent. Sci. | 蛋白质-蛋白质交互作用稳定剂: 双结合机制的分析和应用
The following article is from ACS美国化学会 Author ACS Publications
英文原题：What Makes a Good Protein–Protein Interaction Stabilizer: Analysis and Application of the Dual-Binding Mechanism
通讯作者：Martin Zacharias
作者：Shu-Yu Chen, Martin Zacharias
背景介绍
蛋白质-蛋白质交互作用 (protein-protein Interaction) 在生物系统里面扮演着至关重要的角色，例如细胞命运、免疫反应和讯息传导，其中也包含了许多跟人类疾病有关的生物机制，因此调控蛋白质之间的交互作用在医学上有极大的发展潜力。蛋白质交互作用的调控主要可以分成两类：抑制以及稳定，前者的目的为减少特定的蛋白质-蛋白质交互作用，后者则是要加强该作用。相较于抑制剂，稳定剂因为需要同时和两个以上的蛋白质产生交互作用，因此拥有更高的特异性。虽然近年来有越来越多的蛋白质交互作用稳定剂被发现以及应用在实验上，直至今日并没有一个有效的计算方法来寻找及设计有效的蛋白质-蛋白质交互作用稳定剂。我们结合数学模型以及蛋白质动力学模拟研究了19个已知的蛋白质-蛋白质稳定剂，并且提出双结合机制 (dual-binding mechanism) 为蛋白质界面黏着的必要条件。基于此模型我们提出一套计算方法，够在海量的药物数据库中找出可能有效的蛋白质界面黏着剂。
文章亮点
1
三体交互作用（蛋白质-蛋白质-稳定剂）的数学模型指出在物质平衡的状态下，与稳定剂交互作用较弱的蛋白质对于稳定效果具有较决定性的影响，即双结合机制。双结合机制在已知系统下成功解释为何有些稳定剂比其他稳定剂更有效。
2
蛋白质交互作用的界面通常具有药物可嵌合的孔洞 (druggable pocket) 适合作为稳定剂作用的界面。
3
利用蛋白质结构分析以及分子动力学模拟，我们提出一套计算方法在药物数据库中寻找可能有效的蛋白质交互作用稳定剂。
图文解读
蛋白质交互作用的稳定大致上可以分为引导型稳定及增强型稳定两种类型。引导型稳定指的是两个蛋白质只有在有稳定剂存在的情况之下才会形成复合体（图1A），增强型稳定则是指在两个蛋白质本身就能形成复合体的情况之下，让复合体的型态更加稳定（图1B）。透过稳定态数学模型推导，稳定剂具有一个最佳浓度能够让两个原本不交作用的蛋白质形成最多的蛋白质-稳定剂复合三体（图1C）。当稳定剂浓度高于此最佳浓度时，两个蛋白质都会在形成复合三体前先形成第一部复合，造成符合三体无法被成功形成。图1D中ΔΔGLs和ΔΔGRS分别代表与稳定剂的作用力较差与较强的蛋白质（负越多作用力越强），纵轴则代表蛋白质复合体被稳定的强度的理论值（数值越小稳定效果越高）。我们可以清楚看到相较于增强作用力原本就较强的蛋白质与稳定剂（以横轴表示）的强度所能够带来的效益远小于增强作用力较差的蛋白质（以不同颜色表示）与稳定剂的作用所带来的效益，此即为稳定蛋白质交互作用的双结合机制（dual-binding mechanism）。
图1
我们利用分子动力学模拟的方法研究了了三种已知可被稳定剂引导复合的蛋白质交互作用，其中每种复合体存在一个弱稳定剂和强稳定剂，透过计算稳定剂及两个蛋白质分别的交互作用强度，我们发现双结合机制在三种情况之下皆能成功在两个稳定剂中预测出较有效的稳定剂。我们进一步利用此计算方法重复先前实验组测试过对蛋白质13-4-4 和蛋白质ChREBP交互作用的13种候选稳定剂，发现这13种药物，相较对蛋白质ChREBP，都对蛋白质13-4-4产生较强的交互作用。根据双结合机制，稳定剂和蛋白质ChREBP的交互作用应该对于稳定剂对13-4-4的交互作用具有更决定性的影响力。计算结果也证明，稳定剂和ChREBP的交互作用（弱作用力ΔΔGLs）比起其他类型的交互作用（强作用力ΔΔGRS及总作用力ΔΔG(RL)S）在预测稳定剂效力上更具有参考价值（图2A，蓝色及红色代表实验上有效的稳定剂）。
图2
最后，我们提出了一套用来寻找蛋白质交互作用稳定的计算流程（图2B）。首先，我们可以透过实验或是蛋白质预测模型（例如Alphafold）准备一组蛋白质-蛋白质复合体的三维结构，并且利用算法 （例如Fpocket）侦测蛋白质界面可被药物嵌合的孔洞。透过分子嵌合计算（Molecular Docking）分子动力学的方法，我们可以从上百万种药物中快速的筛选最有潜力的蛋白质交互作用稳定剂。我们在研究中用5个蛋白质复合体结构中演示了该方法，在ZINC20药物数据库中从100万个随机抽取的药物提出10个最有稳定潜力的分子。
总结与展望
稳定蛋白质之间的交互作用是调控生物系统的一种方法，利用计算方法，我们展示了数学模型支持的双结合机制能够在实际的生物系统中成功预测出有效的蛋白质稳定剂。在此基础上我们提出了一套整合界面孔洞算法、分子嵌合、及分子模拟的流程，快速的在药物数据库中寻找可能有效的蛋白质稳定剂。我们期待在未来该方法能够被更广泛的应用到不同的系统上，比如DNA、RNA、糖类、聚合物等等，并且提供有效的方法来辅助实验设计。
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ACS Cent. Sci. 2023, ASAP
Publication Date: April 14, 2023
https://doi.org/10.1021/acscentsci.3c00003
Copyright © 2023 The Authors. Published by American Chemical Society
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