MOE基于结构的药物设计（十五）：Scaffold Replacement——如何在保留关键相互作用的同时更换分子骨架？

前面的 Tarceva 案例一直在做一件事保留原来的 quinazoline core然后修改外围取代基。但药物优化进行到一定阶段后我们可能会遇到更大的问题如果外围已经改得差不多了但原来的核心骨架本身也想换掉怎么办这就是Scaffold Replacement。Scaffold Replacement 的目标不是简单“换一个环”而是用新的 central core 替换原有 scaffold同时尽量保持重要取代基原来的三维几何关系。这也是常说的Scaffold Hopping骨架跃迁。1. 为什么到了这里才开始换 Scaffold回顾前面的 EGFR–Tarceva 案例我们其实已经积累了很多信息Ligand Interactions告诉我们哪些作用值得保留Surface / Electrostatic Maps告诉我们口袋允许怎样的空间和化学特征Pharmacophore进一步把关键 hinge-binding pattern 转换成了可计算的约束Docking PLIF帮助我们评价新的结合模式。所以现在换骨架不应该再回到“随便找一个长得不一样的环试试看。”而应该问新的 scaffold 能不能继续把关键取代基放在原来的位置并满足我们已经确认的重要相互作用这才是本篇在 SBDD 系列中的意义。2. Tarceva 到底准备换掉哪一部分继续使用 1M17 中的 Tarceva。打开Compute → Fragments → Scaffold Replacement默认进入Replace ScaffoldSelect Scaffold模式。随后打开Footer → 2D显示 Tarceva 的二维结构并选中quinazoline scaffold选中以后三维结构中会出现绿色区域表示这一部分就是准备被替换的 scaffold。3. MOE 怎么知道新 Scaffold 应该怎么接当 scaffold 被选中以后MOE 会根据 scaffold 与外围 R-groups 之间的连接关系建立bond vectors / exit vectors。Scaffold Replacement 搜索的核心就是寻找能够满足这些连接位置和三维几何关系的新 fragment。简单理解就是原来的 quinazoline 被拿走以后外围取代基不能跟着随便乱跑。新的 scaffold 必须尽量满足这里要接一个取代基那里还要接一个取代基并且这些连接方向最好仍然接近原来的三维排布。这也是为什么 Scaffold Replacement 和普通的二维“换骨架”不是一回事。关于 Bond Vector、Select R Atoms 等具体操作模式在 FBDD 专栏中更适合单独展开本篇重点放在它们如何服务于当前 EGFR 的结构设计问题。4. 前面做的 Pharmacophore 在这里又用上了这是整个系列衔接得非常漂亮的一点。第十三篇中我们从 Tarceva–EGFR 结构建立了egfr_query1.ph4其中编码了关键的 hinge-binding features。现在这个文件可以直接作为Scaffold Replacement 的 Pharmacophore Filter加载进来。教程中选中 scaffold 后显示Leaving Atoms: 10Exit Vectors: 3随后载入egfr_query1.ph4。也就是说我们不仅要求新 scaffold 几何上能把外围取代基接回来。还进一步要求生成的结构最好仍然满足前面定义的 EGFR hinge-binding pharmacophore。这就是结构信息真正开始约束 scaffold hopping。5. 开始搜索新的 Scaffold本案例随后开启Minimize generated structuresScoring 选择GBVI/WSA dG点击SearchMOE 会搜索 linker/scaffold fragment并生成满足条件的新 molecules最终写入输出数据库。所以整个搜索逻辑可以概括成选择需要替换的 quinazoline↓提取 Exit Vectors↓搜索新的 Scaffold↓Pharmacophore Filter↓在 EGFR pocket 中 Minimize↓Scoring↓输出候选结构这比单纯做“结构相似性搜索”多了一层非常关键的信息蛋白结合口袋一直参与整个筛选过程。6. Scaffold Replacement 的结果怎么看输出数据库中除了生成的新 molecule还包括RMSDPH4 RMSDRrmsdMM/GBVIGBVI/WSA dGrsynthWeight / TPSA 等 descriptors其中PH4 RMSD描述新结构对 pharmacophore filter 的匹配程度而 R-group 相关 RMSD 可以帮助观察结构优化前后外围基团移动了多少。对于初学者这里不要陷进每一列参数。优先回答三个问题即可新的 scaffold 是否真正改变了核心结构外围关键取代基是否仍然保持合理位置关键 hinge-binding pharmacophore 是否仍然得到满足7. 不要只盯着分数要回到三维口袋里看通过Database Viewer → File → Browse可以逐个浏览生成的结构并与 starting structure 比较。本案例甚至可以看到部分生成结构与已知 EGFR inhibitor scaffolds 相似。这一步再次说明Scaffold Replacement 的结果不是“排名第一就是答案。”而是一批新的设计假设。我们仍然需要回到三维结构中检查Hinge interaction 是否保留新 scaffold 是否产生 clash外围取代基是否仍然占据原来的 pocket有没有新的相互作用机会8. 本篇小结从 SBDD 的角度看Scaffold Replacement 最重要的并不是“MOE 可以自动换环”。真正重要的是我们可以把前面已经获得的蛋白结构知识继续带入骨架跃迁过程。在当前 EGFR–Tarceva 案例中1M17 晶体结构↓确定关键 hinge interaction↓建立 egfr_query1 pharmacophore↓选择 quinazoline scaffold↓利用 Exit Vectors 搜索新的 core↓用 Pharmacophore Pocket 对候选进行约束因此即使核心 scaffold 被换掉我们仍然在尽量保留原有设计中真正有价值的三维结合信息。至于 Scaffold Replacement 的不同操作模式、Select R Atoms、Fragment Linking 和 Growing 等更偏 FBDD 工作流的内容这里不再重复展开可以放在基于片段的药物设计教程专栏中系统讨论。下一篇也是本系列最后一篇我们会从“生成一个新 scaffold”进一步走向如何利用化学反应规则从一个先导骨架批量扩展出一批可以继续筛选的候选分子MOE基于结构的药物设计十六Combinatorial Library——如何从一个先导化合物扩展出一批候选分子