Nature | 从1.5亿分子库中虚拟筛选发现调节昼夜节律的褪黑素受体激动剂

引言

褪黑激素受体(G蛋白偶联受体MT1和MT2)与人体昼夜节律的生理功能相关,可作为睡眠障碍和抑郁患者的药物靶点,作者基于MT1晶体结构,从1.5亿分子库中虚拟筛选,发现了调节昼夜节律的褪黑素受体激动剂。

Nature | 从1.5亿分子库中虚拟筛选发现调节昼夜节律的褪黑素受体激动剂

先睹为快

蛋白靶点

褪黑激素受体(人源G蛋白偶联受体MT1)

筛选化合物库

ZINC数据库中1.5亿‘lead-like’化合物(http://zinc15.docking.org)

计算方法  

分子对接(Molecular docking)

计算软件

DOCK3.7 (http://dock.compbio.ucsf.edu/DOCK3.7/).

计算流程  

基于MT1晶体结构,通过DOCK3.7软件对接1.5亿个虚拟分子,优先考虑结构匹配和化学结构新颖性,合成并测试了38个排序靠前的分子,发现15个活性分子(470pM~6μM),但是这些化合物对MT1选择性不强,进一步通过结构类似物的合成改造,发现选择性激动剂, 小鼠体内实验证实了化合物调节昼夜节律的作用。

褪黑激素受体(G蛋白偶联受体MT1和MT2)与人体昼夜节律的生理功能相关,这两种受体可作为睡眠障碍和抑郁患者的药物靶点,但目前MT1选择性配体的报道寥寥无几,这大大阻碍了对昼夜节律生物学的理解和靶向治疗的发展。

作者收集了ZINC库中超过1.5亿个“lead-like”分子(http://zinc15.docking),其特征是具有良好的物理性质,例如,脂水分配系数-水分配系数cLopP≤3.5,分子质量≤350Da,然后使用DOCK3.7对接到MT1的活性位点。DOCK3.7(图1)在MT1正构位点中以平均160多万个结合模式(取向×构象)对每个库分子进行取样,整个库产生超过72万亿个复合物,并对每个结合模式与受体位点的物理互补性进行评分。

为了寻求结构多样性,通过拓扑相似性对排名前30万的分子进行聚类,得到65323个簇,并消除与ChEMBL23中已知的MT1和MT2配体相似的簇。对前10000个团簇中得分最高的分子进行了检测,以确定其是否与识别MT1晶体结构中配体的关键残基结合,是否有新的极性相互作用,包括Q181、N162、T1782和N255,以及与A158、G104和F179的主链原子的氢键(图2)。

在最佳评分组内,对所有成员进行检查,并对最符合这些标准的成员进行优先排序。最终选择40个分子进行从头合成和测试,这些分子的排名处于16到246721(0.00001%~0.1%)。在成功合成的38个分子中(95%的完成率),有15个化合物(图3)对人类MT1和MT2受体中或两者都有活性,命中率为39%(以活性化合物的数量/物理测试化合物的数量计算)。

但是这些活性化合物主要体现在MT2,因此需要进一步对化合物进行优化,合成了131个类似物,其中94个化合物有活性。其中两个具有新颖拓扑结构选择性的MT1可逆激动剂UCSF7447和UCSF3384。在黄昏给予这些MT1选择性反向激动剂时,小鼠昼夜节律时钟提前了1.3-1.5小时,这种激动剂样作用在MT1敲除老鼠中被消除,但在MT2基因敲除的小鼠中没有。这项研究阐明了MT1选择性配体可以调节褪黑激素受体生物学功能。

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图1.从大型分子库对接发现新型褪黑激素受体配体

图片来源Nature

 

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图2.MT1对接复合物的结合模式示意图

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图3. 15个活性小分子的化学结构

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图4. MT1选择性可逆激动剂和MT2选择性激动剂药代动力学

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参考文献

Stein, R.M., Kang, H.J., McCorvy, J.D. et al. Virtual discovery of melatonin receptor ligands to modulate circadian rhythms. Nature (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2027-0