化学空间对接十亿分子筛药 原创

关键词：虚拟筛选；分子对接；ROCK1；激酶抑制剂；化学空间

一、文章简要介绍

传统虚拟筛选先枚举几亿个分子再逐个对接，算力开销巨大。这篇文章（Beroza等，2022，Nature Communications，DOI: 10.1038/s41467-022-33981-8）提出一种化学空间对接方法：不枚举完整库，而是把合成砌块直接对接进靶点口袋，用结构信息引导分子生长，实现近十亿分子的可扩展虚拟筛选。方法应用到ROCK1激酶：从858,125,390个虚拟产物中筛出69个分子购买测试，27个抑制活性Ki小于10微摩尔，命中率高达39%，两个先导化合物的对接姿势还得到X射线晶体结构证实。

图1 ROCK1结合口袋中80个起始片段的对接姿势

图1展示了80个起始片段在ROCK1结合口袋中的对接姿势：口袋表面为灰色，铰链区药效团为两个绿色球体，浅蓝色连接体作为反应向量用于后续产物库枚举，每个片段代表约一万个分子的库。

二、仿真步骤

步骤一：构建可搜索化学空间。从Enamine REAL Space双子库（2019年4月访问）出发，包含71,894个合成砌块和102个反应规则，理论最大产物数858,125,390。把每个砌块保留反应后剩余部分并加虚拟连接原子，得到136,835个片段。

步骤二：片段对接与筛选。所有片段用FlexX对接软件对接到2ETR结构的ATP结合位点，施加铰链区药效团约束（配体氢键供体对接Glu321主链羰基，或氢键受体对接Met323主链氮），每个片段最多保留10个姿势，共129,125个姿势。用HYDE打分函数评估，选出打分前50,000的姿势导入SeeSAR人工检查，最终挑出500个最优片段及其姿势。筛选标准包括：额外氢键、分子量45到450、cLogP不超过4、连接体几何朝向、扭转能、化学多样性。

步骤三：产物库枚举与重对接。按双子反应规则，每个选中片段作为起点全库枚举产物，500个库共生成5,236,824个产物，以片段姿势为模板用FlexX逐个对接，产生23,305,389个姿势，HYDE打分后保留10,391,986个。取每个分子最优姿势约33,000个，用Chemalot做应变能过滤（去掉内应变超过5千卡每摩尔的），剩5,940个分子，再用FRED程序重对接确认，最后k-means聚类成500簇，每簇取FRED打分最好的代表。

步骤四：过滤与购买测试。500个簇代表经过两个定性过滤（过度柔性和大疏水基团），77个进入人工目检，最终从Enamine下单69个化合物，用HTRF激酶实验测定Ki值。

三、关键结果与发现

第一，命中率惊人：69个测试化合物中27个Ki低于10微摩尔，命中率39%，在对接文献中属于最高水平；最强化合物Ki达38纳摩尔，19%的分子达到亚微摩尔级。

图2 四类化学型中最活跃分子的对接姿势

图2展示了四类化学型中最活跃分子的对接姿势：化合物1（吡唑类，橙色）、化合物16（吡啶酮类，品红）、化合物22（氮杂吲哚类，紫色）、化合物25（吲唑类，黄色）。所有命中都占据铰链区，并与激酶P环发生疏水相互作用，其中两个还与催化赖氨酸相互作用——这两种作用在模板配体中都不存在。

第二，X射线证实对接姿势：对最强化合物1和结构新颖的化合物22解析共晶结构（分辨率2.34埃和2.74埃），对接姿势与晶体结构的RMSD分别为0.97埃和2.30埃，铰链区氢键原子偏差仅0.4到1.0埃，证实虚拟筛选预测的结合模式高度可信。

图3 化合物1的X射线晶体结构与对接姿势对比

图3是化合物1的晶体验证：上图是精修后的2Fo-Fc电子密度（1西格玛等高线），下图是对接姿势（浅绿）与X射线构象（深绿）的叠合，除中间苯环略有倾斜外，整体结合位置高度一致。

图4 化合物22的X射线晶体结构与对接姿势对比

图4是化合物22的晶体验证：氮杂吲哚的氢键原子仅偏移0.4到1.0埃，远端基团偏差较大主要来自蛋白质柔性（模板结构中Phe87侧链末端相差4.2埃），说明大部分位移源于蛋白构象变化而非对接误差。

第三，计算效率大幅提升：传统全库枚举对接的耗时随化学空间规模线性增长，而化学空间对接的耗时只与合成砌块数量相关，比传统方法快多个数量级。

图5 大规模对接的计算资源需求对比

图5对比了不同对接方案的计算需求：红黄绿曲线为传统全枚举对接（每分子10秒、1秒、0.1秒），浅蓝色为化学空间对接，文献中大规模对接战役标注为散点，可见本方法在近十亿分子规模下资源消耗远低于传统方案。

图6 ROCK1结合位点与药效团约束设置

图6给出了ROCK1结合位点与药效团约束的设置：结合口袋表面与铰链区约束（Glu321羰基或Met323氮），这是整个虚拟筛选流程的对接锚点，保证每个候选分子都形成激酶抑制剂必需的铰链氢键。

四、我们提供的服务

我们可提供以下仿真技术服务：①基于结构的虚拟筛选全流程（靶点准备、药效团约束、分子对接）；②化学空间对接与大库筛选方案设计（Enamine REAL Space等反应式空间）；③FlexX、FRED、HYDE等对接与打分工具的应用与结果解读；④命中化合物聚类、过滤与活性验证支持；⑤分子动力学模拟与结合自由能计算。从靶点口袋分析到先导化合物发现，我们都有成熟的虚拟筛选项目经验。

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