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  • 基于結構的虛擬篩選發現全新DNA促旋酶抑制劑

    LigandScout應用案例第二期

     

    LigandScout應用案例-基于結構的虛擬篩選發現全新DNA促旋酶抑制劑

     

    文獻來源

    Matja?Brvar, Andrej Perdih, Miha Renko, Gregor Anderluh, Du? an Turk, Tom Solmajer. Structure-Based Discovery of Substituted 4,5’-Bithiazoles as Novel DNA Gyrase Inhibitors. Journal of Medicinal Chemistry. 2012, 55, 6413-6426.

    摘要

    細菌DNA促旋酶是一種久經檢驗并得到確認的新型抗菌藥的靶標。它對細菌的DNA復制周期起到關鍵作用,卻不存在于哺乳類動物。這使得細菌DNA促旋酶成為了發展具有選擇毒性的抗菌藥物的良好靶標。DNA促旋酶B亞型的ATP結合位點非常重要,并已有廣泛研究。為了發現細菌DNA促旋酶B亞型ATP結合位點的全新抑制劑,作者采用了兩步設計策略:第一階段中使用LigandScout軟件分析CBN(一種香豆素類抑制劑)與G24蛋白(包含ATP結合位點的N端最小的片段)之間的相互作用,構建藥效團模型進行虛擬篩選,然后用分子對接方法進一步篩選;第二階段,對第一階段識別出來的4,5’-二噻唑結構類型構建集中庫,采用對接方法進行篩選??咕钚詼y試結果確證了幾個化合物具有DNA促旋酶B型的抑制活性,對其中最好的抑制劑還采用SPR、MST、DSF及X-ray等多種實驗技術進行結構表征。

    計算步驟

    階段一

    1. 用LigandScout基于結構的方法,分析蛋白-配體相互作用,構建并檢驗藥效團模型;

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    圖一、LigandScout產生的簡化藥效團模型。

    1. 虛擬篩選

    為增加苗頭化合物的多樣性,對上述藥效團模型進行簡化和調整,然后對約含5百萬個化合物的商業庫進行虛擬篩選,命中大約400個不同結構類型的苗頭化合物。

    JMC2012(55)6413-26

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    圖二、虛擬篩選苗頭化合物6與藥效團模型的疊合。

    1. 分子對接

    采用GOLD進行分子對接計算,將上述苗頭化合物對接到DNA促旋酶B活性位點,得到12個不同結構類型的化合物;

    1. 生物學驗證

    有2個4,5’-二噻唑類化合物具有DNA促旋酶抑制活性,其中化合物6具有低微摩爾活性(IC50 = 5.5 ± 1.0 μM)。

    階段二

    1. 構建集中庫

    從可購買化合物的eMolecules數據庫中獲取240個分子組成的4,5’-二噻唑類化合物集中庫,并由OMEGA軟件產生3D結構。

    1. 分子對接

    再次采用GOLD進行分子對接計算,通過觀察方式檢驗結合模式,挑選出8個化合物。

    JMC2012(55)6413-26

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    圖三、GOLD計算的化合物6與G24 ATP結合位點的結合模式。

    1. 生物學驗證

    全部化合物具有DNA促旋酶抑制活性,最好的活性為1.1±0.2 μM。

    1. 生物物理和結構評價

    分別采用DSF、SPR、MST和X-ray技術進行結合熱穩性測定、分子間相互作用確證、Kd值測定和蛋白-小分子復合物結構分析。

    JMC2012(55)6413-26

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    表一、4,5’-二噻唑類化合物6和階段二挑選的化合物1825E. coli DNA促旋酶抑制活性

     

    JMC2012(55)6413-26

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    圖四、實驗測定和對接得到的化合物18在ATP活性位點的結合構象。

    結論

    虛擬篩選、生物物理及結構生物學技術的組合運用,采用基于結構的藥效團建模技術,從天然抑制劑的結構數據出發,可以發現全新骨架DNA促旋酶B型抑制劑。其中一個化合物的IC50可達1.1 ± 0.2 μM,并揭示了重要的作用位點。

    ?亮點

    1. 采用兩步設計策略:先以天然抑制劑的結構數據為基礎進行篩選,再以第一階段的苗頭化合物建立集中庫進一步篩選;
    2. 對藥效團命中的化合物進一步進行分子對接計算;
    3. 采用LigandScout基于結構的藥效團建模技術與GOLD分子對接方法,可發現全新骨架的抑制劑;
    4. 先后發現9個化合物具有低微摩爾水平的抑制活性。
    5. 采用多種生物物理和結構生物學技術,揭示了抑制劑的結構特征與結合模式。

    關鍵軟件與技術

    LigandScout的藥效團識別技術,GOLD的分子對接計算,SPR、MST、DSF及X-ray等多種生物物理和結構生物學技術。 LigandScout是奧地利InteLigand公司旗艦產品,廣州墨靈格信息科技有限公司為其中國合作伙伴。

     

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