一种基于DEL平台的PROTAC分子药物设计方法与流程

本发明涉及计算机辅助药物分子设计领域，特别涉及一种基于del平台的protac分子药物设计方法。

背景技术：

1、为解决传统“不可成药”靶点方面的一些问题以及克服耐药性，蛋白降解靶向嵌合体(proteolysis-targeting chimeras,protac)技术备受制药工业界关注。2004年10月6日，以色列科学家aaron ciechanover,avram hershko和美国科学家irwin rose因共同发现了泛素(ubiquitin,ub)调节的蛋白降解过程而获得了诺贝尔化学奖：当泛素链接到蛋白上后，会导致这些蛋白被运送到蛋白酶体(proteasome)中进行降解，这项发现也为protac蛋白降解技术奠定了理论基础。protac分子是一种具有双功能的杂合分子，其由e3泛素连接酶配体，靶蛋白配体和一个链接二者的连接子(linker)共同组成，从而使靶蛋白泛素化，随后被蛋白酶体识别，最终导致靶蛋白降解。但目前，protac分子的设计依然是技术难点。

2、dna编码化合物库(dna encoded library,del)是一种前沿的苗头化合物发现方法，通过在每一个小分子化合物上连接一段特异的dna编码，使得化合物的结构单元与dna序列一一对应。del分子主要由小分子、dna序列和中间的连接子(linker)三部分构成，其结构与同样使用连接子链接e3和靶蛋白配体的protac分子类似，因此，无论是寻找protac配体的新颖结构，或是优化protac的连接子部分，del技术都有其天然的实验优势。只要对当前del的筛选技术加以一定的改造，并且根据protac分子的结构特征，构建专门的双功能del分子，就可以将del技术的应用场景拓展到“不可成药”的靶点，同时也为protac药物的发现提供新思路。

3、使用del技术平台开发protac分子的挑战在于，del是一种亲和力筛选技术，虽然在筛选的过程当中可以产生丰富的构效关系(structure-activity relationship,sar)信息，在某种程度上推断出小分子和蛋白的相互作用，但是不能直接产生小分子和蛋白的结合模式信息。而protac体系是由双功能分子介导的、靶蛋白和e3链接酶之间形成的三元复合物，既有蛋白-小分子间相互作用，又涉及到复杂的蛋白-蛋白相互作用。因此，了解和预测复合物的构象以及蛋白相互作用对于protac分子的设计和优化具有极其重要的指导意义。如何将预测复合物的构象以及蛋白相互作用与del技术平台结合开发protac分子药物设计方法成为本领域需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种基于del平台的protac分子药物设计方法，结合计算机辅助药物设计，在del平台上实现protac分子的设计。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供的基于del平台的protac分子药物设计方法，包括：

3、步骤s1、生成双功能分子：基于弹头分子和e3连接酶配体，利用分子生成模型生成多组弹头分子-连接子-e3连接酶配体的双功能分子；

4、步骤s2、生成protac-like del双功能分子库：对步骤s1生成的双功能分子进行筛选和评估，将符合规格的双功能分子加入到del库中，生成protac-like del双功能分子库，并对其进行kl散度评估；

5、步骤s3、利用双功能分子介导的蛋白降解靶向嵌合体系对protac-like del双功能分子库中的双功能分子进行评估。

6、本发明中，分子生成模型例如可以是protac-del model，该模型可基于弹头分子和e3连接酶配体连接位点的特征，根据人工智能(ai)的方法，在弹头分子和e3连接酶配体之间生成连接子。

7、具体的，步骤s1中，分子生成模型生成双功能分子的步骤包括：

8、s11、定义弹头分子和e3连接酶配体的连接位点，并修改相应的smiles字符串；

9、s12、以弹头分子smiles字符串和e3连接酶配体smiles字符串共同作为输入，生成多个不同的双功能分子。

10、其中，所述弹头分子基于del筛选得到。

11、具体地，步骤s2中，对双功能分子进行筛选和评估的步骤包括：

12、步骤s21、利用连接子长度和芳香环的数量对步骤s1中的双功能分子进行初步筛选，得到符合标准的双功能分子；一般来说，连接子中重原子(非氢原子)的个数在12个左右，芳香环的数量不超过2个，因此，依次为标准进行初步筛选；

13、步骤s22、利用双功能分子的理化性质对符合步骤s21筛选标准的双功能分子进一步筛选；所述双功能分子的理化性质包括分子量、氢键受体个数、氢键供体个数和脂水分配系数；需要说明的是，s21和s22先后顺序可调换；其中，氢键受体个数不超过10个、氢键供体个数不超过5个、脂水分配系数的对数值在-2至5之间(该些参数以里宾斯基五规则中的三个为参考)，分子量可根据不同靶点已报道的分子而定，例如针对crbn靶点已报道的分子，可将分子量限定在1000道尔顿以内；

14、步骤s23、计算双功能分子的合成可行性得分；

15、步骤s24、评估双功能分子的膜透性、溶解度和代谢位点；

16、步骤s25、药化学家依据步骤s23的得分结果和步骤s24的评估结果，对双功能分子挑选，将符合挑选标准的双功能分子加入del库中，生成protac-like del双功能分子库；

17、步骤s26、根据已知的protac分子的理化性质，对步骤s25得到的protac-like del双功能分子库进行kl散度评估。

18、其中，步骤s22中，根据双功能分子的理化性质进行筛选的过程中，还可以一并参考protac-db 2.0数据库已收录的相关靶点的protac分子理化性质。目前，protac-db 2.0数据库已收录众多protac分子，并对该些protac分子的理化性质(如分子量、氢键受体个数、氢键供体个数和脂水分配系数等)进行了总结、分类和性质分布归纳，具有一定的参考意义；步骤s23中双功能分子可行性得分通过rdkit里面的sa score计算得到；

19、步骤s24中双功能分子的膜透性、溶解度和代谢位点通过admet性质模型进行评估；

20、步骤s25中，药化学家主要依据步骤s23和步骤s24中的排序进行挑选，例如选择综合排序前100的双功能分子，另外，药化学家还可以结合自身经验对选择的综合排序靠前的双功能分子进行筛选；

21、步骤s26中，做kl散度评估的主要目的是评估本技术构建的protac-like del双功能分子库与已报道的protac分子的理化性质分布是否一致。

22、具体的，步骤s3对protac-like del双功能分子库的评估包括：

23、步骤s31、靶向蛋白和e3降解酶之间进行蛋白质-蛋白质对接的模拟，确定起始蛋白构象；

24、步骤s32、利用ledock软件，将protac-like del双功能分子库中的双功能分子所对应的弹头分子的分子砌块结合至靶向蛋白并选择合理的结合模式，e3连接酶配体所对应的分子砌块结合至e3连接酶并选择合理的结合模式；

25、步骤s33、利用ledock软件，用protac-like del双功能分子库中连接子所对应的分子砌块，在无空间位阻或空间位阻最低的状态下，将已选择的合理结合模式的弹头分子-靶向蛋白结构和e3连接酶配体-e3连接酶结构进行连接形成靶向蛋白-弹头分子-连接子-e3连接酶配体-e3连接酶结构的三元复合物模拟结构，再对弹头分子和e3连接酶配体做约束使其处于相应的坐标位置处(施加一定的约束力，使其保持位置稳定)，对连接子做能量优化使其处于能量最低构象(一般通过能量梯度下降的方式进行)，筛选得到靶向蛋白-弹头分子-连接子-e3连接酶配体-e3连接酶结构的三元复合物模拟结构，即蛋白-双功能分子构象。

26、步骤s34、对步骤s33中的蛋白-双功能分子构象，采用分子动力学模拟，筛选得到稳定的蛋白-双功能分子构象；

27、步骤s35、对步骤s34得到的稳定的蛋白-双功能分子构象，进行分子动力学轨迹分析，得到稳定且合理的蛋白-双功能分子构象；

28、步骤s36、对步骤s35得到的蛋白-双功能分子构象，采用分子力学/泊松-波尔兹曼表面积方法计算双功能分子和蛋白的结合自由能，评估双功能分子与蛋白的结合强弱。

29、其中，步骤s31中，蛋白质-蛋白质对接所采用的软件为rosetta软件。确定初始蛋白构象的需要考虑的指标包括对接打分和关键残基作用力分析，一般来说，对接打分越低，说明能量越低，其越稳定，关键残基作用力分析主要是看关键位点有没有形成氢键；另外，在软件中，还需要对蛋白-蛋白的界面做例如包埋表面积、形状互补度、极性原子数量、氢键数量和氢键能量等的分析，例如包埋表面积依据软件给出排序选择即可，形状互补度选择参考一般通常需超过0.65，另外极性原子数量、氢键数量和氢键能量分析则参考如下说明进行分析：一般来说，极性原子过少、氢键数量过少不利于结合，氢键较强的相互作用有利于结合。。

30、具体的，步骤s34中，分子动力学模拟在amber20软件中执行，采用蛋白-双功能分子在水溶液中的模型模拟，模拟过程包括：

31、步骤s341、采用最陡度下降法进行能量最小化处理，最小化处理过程中，对蛋白-双功能分子中的所有重原子施加约束力优化其位置；

32、步骤s342、能量最小化处理后，在50ps内，系统从297k升温至310k，此过程中，对蛋白-双功能分子中的重原子持续施加约束力；

33、步骤s343、50ps后，整个系统在有重原子约束的情况下，持续100ps恒温恒体积系综，以及再持续200ps恒温恒压系综的与平衡过程；

34、步骤s344、步骤s343结束后，整个系统在无约束状态下，恒温恒压系综进行不少于100ns的分子动力学模拟。

35、其中，在amber20软件中执行时，双功能分子的力场采用gaff2小分子力场文件，蛋白质采用ff19sb力场文件，同时采用tip3p水模型，并添加金属阳离子以及相应的阴离子对电荷的反离子中和，建立蛋白-双功能分子(三元复合物模拟结构)在水溶液中的模型。

36、具体的，步骤s35中，分子动力学轨迹分析包括：

37、步骤s351、在步骤s344分子动力学模拟过程中，选用50ns-100ns的模拟轨迹，每隔100ps，采集一次蛋白-双功能分子的分子构象；

38、步骤s352、利用k-均值算法，将步骤s351中采集到的分子构象分为多个不同的聚类，并找出每个聚类的聚类中心。

39、本发明基于del平台，通过分子生成模型和计算机辅助药物设计快速生成和评估双功能分子，加速了protac-like del双功能分子库的构建，再通过对双功能分子介导的蛋白-双功能分子三元复合物体系建模和模拟，对protac-like del双功能分子库的双功能分子的结合模式进行预测，进一步优化双功能分子，使设计的双功能分子更具合理性，很大程度降低了分子的合成难度。