基于片段的药物分子设计（Fragment-based Drug Design）是药物研发过程中经常应用的一种策略，尤其是在处理一些特殊类型的靶标（如蛋白-蛋白相互作用界面）表现出色。分子片段体积小，官能团占比高。相比于体积较大的配体分子，分子片段在空间上所受限制较少，因而容易获得与靶标蛋白分子具有弱亲合性的分子片段。然后再通过组合或拓展有希望的分子片段，最终获得亲合性更强的先导化合物。
在生长或连接片段生成类药分子的过程中，人们通常认为片段与靶标蛋白的结合模式与结构相近的类药分子的结合模式是相似的，然而事实情况是否与我们常规的认识一致呢？为了回答这个问题，美国礼来公司Esther Kellenberger博士等人对PDB库中的片段结合模式进行了详细而深入的分析，对比了片段和其结构相似的类药分子之间的结合模式差异，相关结果近日发表在美国化学会J. Med. Chem.杂志上（J. Med. Chem. 2018, 61,5963-5973）。
作者首先从PDB库中筛选出相同蛋白相同位点同时具有与片段结合的复合物结构和类药分子与之结合的复合物结构；然后计算片段(类药分子)与靶标蛋白的相互作用指纹（IFP），相互作用指纹一共9位，由氢键、离子键、芳香π作用、金属离子相互作用和疏水相互作用组成，计算相互作用指纹之间的Tanimoto相似度，考察结合模式之间的保留程度；另外作者将某一靶标所有片段（类药分子）结合模式指纹定义为cIFP，通过比较cIFP之间的相似性，研究两类分子覆盖的相互作用模式是否一致。
图示-1 研究流程图，A，PDB结构的筛选；B，计算分子与靶标蛋白的相互作用指纹IFP；C，计算片段和类药分子IFP之间的相似性；D，计算某一靶标所有片段和所有类药分子的cIFP相似性。
问题1：相同分子片段在相同蛋白上的多个复合物结构中结合模式是否是相似的？
作者研究了1502个复合物结构中453个片段的结合模式，包含149种蛋白和152个结合位点。研究表明，同一蛋白同一口袋上多次结晶获得的晶体结构中，片段的的结合位置和取向趋向于一致。叠合之后最大RMSD值小于0.5埃的体系个数占比为73.8%，结合模式保留程度IFP sim大于等于0.6的体系占比为74.3%。很多 IFP sim值较低的体系中，主要是因为蛋白的构象发生了变化，导致片段的结合位置和取向发生了改变。
问题2：包含相同或相似分子片段的类药分子是否与分子片段自身采取相似的结合模式？
作者研究了51个蛋白的359对片段-类药分子相互作用模式，发现在75%的体系中，由片段形成的80%的相互作用是保守的。只有少部分蛋白体系，结合模式相似度中位数小于0.4，有趣的是这些体系中的类药分子大都包含腺嘌呤片段，而且我们近期的多靶标片段研究也表明腺嘌呤可以通过不同的官能团识别不同的靶标蛋白。同样蛋白的柔性越大，片段和类药分子的结合模式保守程度越低。
真实的药物研发过程中，有时并不完全按照片段结构去延伸、拼接，片段结构与最后的类药分子结构可能存在微小的差异，因此作者也研究了分子片段和结构类似的类药分子是否采取相似的结合模式。作者选取了片段-类药分子ECFP2指纹大于0.7的1533个结构对，IFP相似性中位数仍然大于80%，只考虑极性相互作用时，中位数为100%。
图示-2 359个片段-类药分子结构对的结合模式相似性分析箱形图，深蓝色矩形上下边分别是上四分位数和下四分位数，红色线为中位数，左边是考虑所有相互作用，右边是只考虑极性相互作用。
问题3：对于某一靶标蛋白，所有片段和所有类药分子覆盖的结合模式是否一致？
对于该问题，作者研究了235个蛋白的240个结合位点，作者发现当片段和类药分子的个数越多时，对结合位点的相互作用模式采样也就越充分。通过分析所有的数据，作者发现大约至少需要9个不同的片段和9个不同的类药分子才能稳定获得两种分子相互作用的交集，而目前符合这一条件的蛋白体系仅有11个。同时这两类分子的相互作用模式也存在差异，作者发现片段拥有20%的独特极性相互作用，然而受限于目前的数据量，这一结果还需要包含更多片段和类药分子的靶标蛋白晶体结构去验证。
问题4：在药物设计过程中，结晶添加剂是否可以被当作片段看待？
为了增加溶解度或稳定蛋白，结晶过程中经常要加入缓冲剂、还原剂、盐类、洗涤剂、冷冻保护剂等结晶添加剂，它们与蛋白的结合模式是否包含有价值的信息呢？
由于添加剂分子与靶标蛋白结合能力较弱，难以与类药分子（片段）竞争，因此只含有添加剂的结构和添加剂与类药分子（片段）共存的结构可能存在明显区别，在此作者将这两种结构分开考虑。作者发现考虑全部的晶体结构时，添加剂的结合模式没有规律性，但当考虑那些只含有添加剂的结构时，此时添加剂分子与靶标蛋白表现出来的结合特征与类药分子相似。虽然添加剂分子大小不定，结构五花八门，但它们仍然“有目的”地结合在某些位点，同一蛋白，对其所有的添加剂分子进行聚类，有超过一半的添加剂结合在3个甚至2个位点以内。
图示-3 添加剂与类药分子结合模式比较例子：在人类巨噬金属弹性蛋白酶中，不考虑疏水相互作用，配体分子CGS（1JIZ）和助剂乙羟胺酸（1OS2）都与Zn离子相互作用，都与Ala182形成氢键。
作者通过对PDB库中大量晶体结构进行分析，发现片段与基于该片段延伸的类药分子，甚至结构类似的类药分子确实有相似的结合特征，结合模式保守程度较高。然而，当靶标蛋白结合口袋存在明显的构象变化，或者蛋白柔性较大时，两者的结合模式可能会有显著的差异。另外，apo结构中的晶体助剂也能反映出类药分子的结合特征。作者希望上述研究结果可以为一些正在进行的基于片段的药物分子设计项目提供参考。
参考文献：Malgorzata N. Drwal, Guillaume Bret, Carlos Perez, CélienJacquemard, Jérémy Desaphy, and Esther Kellenberger. Structural Insights onFragment Binding Mode Conservation. J.Med. Chem. 2018, 61, 5963-5973.
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