借勢咱們就來聊聊計算機輔助藥物設計 (CADD)，當計算機遇到 PROTAC……是否能在一定程度上縮短 PROTAC 藥物開發的周期，提高成功率呢？本期看點：虛擬篩選、分子對接及分子動力學模擬技術在 PROTAC 開發中的應用！

蛋白降解靶向嵌合體 (PROTAC):
一種新穎的藥物設計策略，它是利用細胞內的泛素-蛋白酶體降解機制來實現蛋白質降解。PROTAC 技術相對傳統小分子藥物最主要的優勢體現在針對不可成藥靶點藥物開發中，被認為是突破當前小分子藥物研發瓶頸最有希望的新技術之一。

 
計算機輔助藥物設計 (CADD):
利用計算機模擬和分子建模技術來預測藥物分子與生物靶標之間的相互作用，其主要方法包括虛擬篩選、分子對接、分子動力學模擬等。

Section.01
虛擬篩選
在 PROTAC 設計中的應用

虛擬篩選是通過計算機模擬和預測的方法，在大量化合物數據庫中篩選出具有潛在結合活性的化合物，能夠大大加速藥物研發過程。靶蛋白配體（Ligand for Target Protein for PROTAC）作為 PROTAC 的導向基團，負責對靶蛋白的捕獲，因而需要有較高的配位能力與選擇性。

虛擬篩選技術在靶蛋白配體及 E3 泛素連接酶配體篩選中發揮重要作用。可以說虛擬篩選技術擴展了 PROTAC 技術的應用。

虛擬篩選用于靶蛋白配體篩選

靶蛋白配體的篩選是 PROTAC 設計的第一步。靶蛋白的結合位點通常決定了配體的親和力和特異性。因此，了解靶蛋白的三維結構是進行虛擬篩選的前提。目前報道的 PROTAC 所用的靶蛋白配體多是已經報道的該靶蛋白的抑制劑，激動劑等。針對目前沒有相應配體報道的靶蛋白，虛擬篩選技術結合后期的實體驗證實驗可以加速靶蛋白配體的篩選，降低篩選成本。

近日，中國醫學科學院藥物研究所劉曉輝課題組就利用了虛擬篩選和體內外實驗成功獲得了親和分子#129，并進一步設計合成了一系列 PROTAC 分子。結果顯示，PT-129 能夠特異性地靶向降解 G3BP1/2，抑制應激細胞中應激顆粒的形成，并有效解體已存在的應激顆粒。后續的藥理學研究表明，PT-129 可以通過促使應激顆粒解體，阻斷 ATF4 在成纖維細胞與腫瘤細胞間的傳遞，顯著抑制了腫瘤細胞的增殖和體內腫瘤的生長^[1]。

圖 2. 基于虛擬篩選和 SPR 的 G3BP1 蛋白配體篩選及 PROTAC 設計^[1]。

Section.02
分子對接
在 PROTAC 設計中的應用

分子對接是分子模擬的重要手段之一，它依據小分子配體與蛋白受體作用的“鎖-鑰原理”，通過能量匹配、空間匹配和化學性質匹配而相互識別形成分子復合物，是模擬配體小分子與受體生物大分子相互作用的一種技術方法。

配體與受體相互作用是分子識別的過程，主要包括靜電作用、氫鍵作用、疏水作用、范德華作用等。通過分子對接預測靶蛋白和配體分子間的結合模式和親和力，也在 PROTAC 設計中發揮著重要作用。

靶蛋白配體 Linker 附著位點分析

在 PROTAC 設計中，Linker 與靶蛋白配體的附著位點從根本上影響 PROTAC 降解活性和選擇性，當配體與靶蛋白的共晶結構可用時，從這些高分辨率共晶結構中識別出配體的溶劑暴露位置可以確定為 Linker 附著位點。因此，可以通過分子對接或分子動力學模擬技術分析配體與靶蛋白結合關系來確定合適的 Linker 附著點。

Yalin Tu 等科學家在基于 EZH2 抑制劑 EPZ-6438 設計 EZH2 PROTAC 時，通過分子對接分析 EPZ-6438 的嗎啉環處于溶劑暴露區，可以作為 Linker 附著位點^[2]，所以在后續設計中，用 PEG Linker  替換嗎啉環，進行后續 PROTAC 設計，并獲得兩種有效的EZH2 PROTAC 分子，YM281 和 YM181。

圖 3. EPZ6438 與 EZH2 活性口袋對接圖^[2]。

PROTAC 結合活性分析

Gilberto P. Pereira 等科學家基于 LightDock 工具開發了一種高效預測與 PROTAC 兼容的蛋白-蛋白相互作用界面的方法，在對包含 13 個三元復合物晶體結構的手動收集數據集進行基準測試時，該方法從結合結構出發的準確率達到 92%，從未結合結構出發的準確率達到 77%。該方法僅需提供 E3 連接酶和靶蛋白的單體形式的配體結合結構，因而具有通用性、準確性和高效性^[3]。

圖 4. LightDock PROTAC 對接流程^[3]。

Section.03
分子動力學模擬
在 PROTAC 設計中的應用

分子動力學（Molecular Dynamics, MD）模擬是一種基于牛頓力學，綜合了物理、數學和化學等多種學科的計算機模擬方法，可以依據當前分子體系的位置、速度和動能等信息，推測該體系未來的位置、速度和動能，從而揭示分子運動的客觀規律。通過計算機分子模擬，研究人員能夠在分子水平上理解生物大分子的運動與生物功能、蛋白-小分子之間相互作用機理。

PROTACs 的核心要素之一，便是要擁有細胞膜通透性，確保它們能夠順利抵達目標蛋白所在之處。然而，這一要求在 PROTAC 的設計過程中構成了不小的挑戰。分子動力學模擬這一強大的計算機模擬技術，能夠深入探索分子的動態行為。通過 MD 模擬，可以精確分析 PROTAC 分子在細胞滲透方面的潛力，從而在 PROTAC 分子的初步設計階段就賦予其顯著的優勢。

Vasanthanathan Poongavanam 等人就使用了核磁共振光譜和分子動力學模擬，深入了解三種具有相似結構的靈活小分子 cereblon PROTACs，分析其在細胞滲透性方面表現出差異的原因^[5]。研究表明，在非極性環境中，PROTACs更傾向于形成低溶劑可接觸的折疊構象，這一特性與它們的高細胞滲透性密切相關。鏈接子的化學性質和靈活性對于 PROTACs 聚集由分子內氫鍵、π-π 相互作用和范德華相互作用穩定的折疊構象是至關重要的。

通過此研究，研究人員得出結論，分子動力學模擬可用于在 cereblon PROTACs 的設計中前瞻性地評估細胞滲透性的排名。

圖 5. 對三種 PROTAC 的分子動力學模擬^[4]。 

目前研究人員已經開發了幾種 MD 方法來模擬三元結構，深入理解 PROTAC 的機制，從而促進新型 PROTAC 的合理設計。

Section.04
小結

PROTACs 藥物的問世，標志著藥物研發領域的一場革命，盡管其發展歷程僅有短短二十年，卻已展現出巨大的潛力與希望。然而， PROTACs 藥物的開發仍面臨著諸多挑戰：當前，PROTACs 的研發大多依賴于一種“試錯法”——即通過不斷地調整 linker（連接子）的長度、成分、附著位點，或是更換配體類型，以期在無數次的嘗試中偶然發現一種具有活性的分子。相信隨著計算機技術及人工智能技術的不斷發展，CADD 及 AIDD 相關技術一定會在藥物設計領域有著更大的發展！
 

[1] Dong T, et al. G3BP1/2-Targeting PROTAC Disrupts Stress Granules Dependent ATF4 Migracytosis as Cancer Therapy. J Am Chem Soc. 2025 Jan 8;147(1):446-461. 
[2] Tu Y, et al. Design, Synthesis, and Evaluation of VHL-Based EZH2 Degraders to Enhance Therapeutic Activity against Lymphoma. J Med Chem. 2021 Jul 22;64(14):10167-10184.
[3] Pereira GP, et al. Rational Prediction of PROTAC-Compatible Protein-Protein Interfaces by Molecular Docking. J Chem Inf Model. 2023 Nov 13;63(21):6823-6833. 
[4] Poongavanam V, et al. Linker-Dependent Folding Rationalizes PROTAC Cell Permeability. J Med Chem. 2022 Oct 13;65(19):13029-13040.