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《合成生物学》|基于靶标结构的环肽分子计算设计

合成生物学, 2023, 4(3): 551-570 doi: 10.12211/2096-8280.2023-006

特约评述

基于靶标结构的环肽分子计算设计

王凡灏2, 来鲁华1,2,3, 张长胜1,2

1.北京大学前沿交叉学科研究院定量生物学中心,北京 100871

2.北京大学化学与分子工程学院,北京分子科学国家研究中心,北京 100871

3.北京大学-清华大学生命科学联合中心,北京 100871

Target structure based computational design of cyclic peptides

WANG Fanhao2, LAI Luhua1,2,3, ZHANG Changsheng1,2

1.Center for Quantitative Biology,Academy for Advanced Interdisciplinary Studies,Peking University,Beijing 100871,China

2.BNLMS,College of Chemistry and Molecular Engineering,Peking University,Beijing 100871,China

3.Peking -Tsinghua Center for Life Science,Peking University,Beijing 100871,China

摘要

环肽在调控蛋白质-蛋白质相互作用方面具有独特的优势,在新药研发领域受到了越来越多的关注。蛋白质相互作用界面一般较大而平坦,相较于小分子化合物,环肽分子更容易获得与这些靶标位点结合的高亲和力和高特异性。相较于线性多肽或蛋白质,环肽结构一般具有更大的骨架刚性,更难被酶降解,从而在代谢上更稳定,而且环肽更易于通过修饰改造增加跨膜活性,从而结合细胞内的靶标蛋白。结构数据和结构建模方法是开发基于靶标结构计算设计环肽药物的基础。本文分析了蛋白质结构数据库中环肽与靶标蛋白结合情况,介绍了目前环肽构象生成或结构预测的四类主要算法;总结了基于靶标结构计算设计环肽分子的主要方法,包括基于分子对接的虚拟筛选方法、借助于动力学模拟的设计方法、从头生成的设计方法以及具有跨膜活性的环肽设计方法;并展望了数据驱动的机器学习方法在环肽设计领域中的可能应用以及未来环肽药物分子开发的可能方向。

关键词: 环肽 ; 多肽药物 ; 多肽设计 ; 构象生成

Abstract

Cyclic peptides (macrocycles) possess head-to-tail cyclic or partially cyclized substructures, which have received more and more attention in developing new drugs recently, since they have unique advantages in regulating protein-protein interactions (PPIs). Comparing to small-molecule compounds, it is easier to design cyclic peptide molecules that bind to target sites with high affinity and specificity, due to the broad and flat interfaces of PPIs and their large surfaces. Moreover, cyclic peptides are generally more rigid and difficult for digestion by proteases than their linear counterparts, making them more stable than linear peptides or proteins. Meanwhile, cyclic peptides are easier for modifications to increase transmembrane activity, targeting intracellular proteins through conformation adaptation or chemical modifications. 3D structure data and structure modeling technics are basis for designing structure based cyclic-peptide drugs. In this review, we assess the structures of cyclic peptides and target proteins available in protein structure database (PDB). Then, we review the algorithms of conformation generation or structure prediction for cyclic peptides, including homologous modeling, secondary structure prediction and optimization, backbone torsion sampling, and distance geometry method. We also summarize progress in target structure based computational design for cyclic peptides, including structure-based virtual screening, molecular dynamic simulation aided methods, de novo design algorithms, and the transmembrane cyclic peptide design. However, more generalized structure-based de novo design algorithms remains to be further explored, and methods to adopt unnatural amino acids or chemical modifications are also needs to be developed. It's worth noting that, with the increase of data for cyclic peptide 3D structures, the data-driven machine learning method may provide a more promising solution for improving the efficiency and effectiveness of structure based cyclic peptide de novo design and conformation generation to develop cyclic peptide drugs in the future.

Keywords: cyclic peptides ; peptide drugs ; peptidedesign ; conformation generation

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本文引用格式

王凡灏, 来鲁华, 张长胜. 基于靶标结构的环肽分子计算设计合成生物学[J], 2023, 4(3): 551-570 doi:10.12211/2096-8280.2023-006

WANG Fanhao, LAI Luhua, ZHANG Changsheng. Target structure based computational design of cyclic peptidesSynthetic Biology Journal[J], 2023, 4(3): 551-570 doi:10.12211/2096-8280.2023-006


1 环肽药物

蛋白质-蛋白质相互作用在生物体系中发挥了关键作用,很多相互作用体系,如酶/抑制剂、细胞因子/细胞膜受体、病原体/受体、细胞信号转导蛋白质作用、分子机器组装体内部作用、蛋白质聚集等都被认为是潜在的重要靶标[1-4]。通过调节蛋白质相互作用可以提高药物的专一性,减少药物的毒副作用。蛋白质-蛋白质相互作用已经成为国内外药物研发机构竞相投入研发的药物靶点[5-10]。

蛋白质-蛋白质相互作用界面一般较大而平坦,较难进行高专一性结合的小分子化合物设计。蛋白质-蛋白质相互作用界面面积通常为1500~3000 Å2,而小分子化合物总的溶剂可及表面积只有约150~500 Å2。相对于小分子,多肽分子可以提供较大的结合界面,并且具有易合成[11]、结合专一性强、毒性小、免疫原性小等独特的优势[12-16]。使用天然多肽作为药物,在调控分泌蛋白、细胞膜上受体等蛋白质功能方面已取得了很大成功[17]。但由于天然多肽在很多情况下存在热稳定性差、易被蛋白酶降解、结合较弱的缺点,导致这些多肽分子在体内的半衰期短、药效弱[18-21]。所以,改造这些多肽分子或全新设计稳定的多肽是药物研发的重要目标[22-23]。

多肽分子的环化,如主链首尾形成酰胺键、残基侧链间形成二硫键或其他共价键,可以限制多肽的构象,是提高多肽药物稳定性的重要手段。环肽降低了肽链的柔性,因此还可以减少与靶蛋白结合的熵损失[24-30]。在天然氨基酸环肽的基础上再引入N-甲基化氨基酸、D型氨基酸、类肽等非天然残基可以更近一步解决易被蛋白酶水解等问题,并进一步拓宽其可设计化学空间[31]。天然产物与人工设计的环肽分子越来越多地用作调节蛋白质-蛋白质相互作用,例如HDAC抑制剂[32-34]、灰霉素[35]、CXCR4拮抗剂[36-37]、抑制HIF-1a/HIF-1b的cyclo-(CLLFVY)[3538]等。

过去20年里经FDA批准上市的环肽药物有18种[39-40],包括激素类药物和靶向药,表1列出了这些药物的结构和功能。

表1   已获FDA批准的18种环肽类药物汇总表

Table 1  Summary of 18 cyclic peptide drugs approved by FDA

名称 结构 功能简介
罗米地辛(Romidepsin) 靶向组蛋白去乙酰化酶,具有抗癌活性,用于治疗T细胞淋巴瘤

伏环孢素

(Voclosporin)

靶向钙调神经磷酸酶,用于治疗狼疮性肾炎

齐考诺肽

(Ziconotide)

靶向G蛋白偶联受体,N型钙通道的有效和选择性阻滞剂

利那洛肽

(Linaclotide)

鸟苷酸环化酶 C(GC-C) 激动剂

普卡那肽

(Plecanatide)

鸟苷酸环化酶-C(GC-C)激动剂

帕西瑞肽

(Pasireotide)

生长抑素类似物,靶向生长抑素受体,可以提高生长抑素受体的激动剂活性

兰瑞肽

(Lanreotide)

生长素抑制剂的第二代类似物,靶向生长抑素受体,活性更高

加压素

(Vasopressin)

一种抗利尿激素,靶向血管加压素受体

特利加压素

(Terlipressin)

一种人工合成的长效抗利尿激素,靶向血管加压素受体

布美兰肽

(Bremelanotide)

黑素皮质素受体的激动剂,主要作用于MC3和MC4受体

赛美拉肽

(Setmelanotide)

黑素皮质素受体的激动剂,主要作用于MC4受体

达托霉素

(Daptomycin)

一种环状脂肽抗生素,破坏革兰氏阳性菌的细胞壁

特拉万星

(Telavancin)

万古霉素的半合成衍生物,抑制革兰氏阳性菌的细胞壁合成

达巴万星

(Dalbavancin)

第二代脂糖肽抗生素药物,比万古霉素更有效,也针对细胞壁的生物合成

奥利万星

(Oritavancin)

由氯霉素衍生的万古霉素的合成类似物,抑制细菌细胞壁的合成

卡泊芬净

(Caspofungin)

靶向1,3-β-葡聚糖合成酶,对侵袭性念珠菌病和其他形式的系统性真菌病有临床疗效

米卡芬净

(Micafungin)

靶向1,3-β-葡聚糖合成酶,对侵袭性念珠菌病和其他形式的系统性真菌病有临床疗效

阿尼芬净

(Anidulafungin)

靶向1,3-β-葡聚糖合成酶,对侵袭性念珠菌病和其他形式的系统性真菌病有临床疗效


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