中大新聞網(wǎng)訊（通訊員鄭雙佳、萬(wàn)園園、楊躍東）蛋白降解靶向嵌合體（PROTACs）作為一種新興的治療策略，通過(guò)招募泛素-蛋白酶體系統(tǒng)降解致病靶蛋白，具有攻克“不可成藥”靶點(diǎn)的巨大潛力。然而，PROTAC分子三元組結(jié)構(gòu)特性導(dǎo)致其較高的分子量進(jìn)而使其成藥性的優(yōu)化變得極具挑戰(zhàn)。國(guó)家超算廣州中心副總工楊躍東教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合星藥科技研發(fā)團(tuán)隊(duì)，依托“天河二號(hào)”憑借其在超算、AI和生物制藥的交叉研究及深度融合的經(jīng)驗(yàn)，充分結(jié)合基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的分子生成和基于物理的分子模擬技術(shù)，在短短49天內(nèi)就發(fā)現(xiàn)了具有高降解活性及高藥代性能的新型先導(dǎo)化合物，并完成濕實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該研究對(duì)PROTAC設(shè)計(jì)以及成藥性?xún)?yōu)化具有重要意義，相關(guān)成果本月正式發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊Nature Machine Intelligence。
PROTAC聚焦不可成藥靶點(diǎn) 其理性設(shè)計(jì)充滿(mǎn)挑戰(zhàn)
自2001年首次對(duì)蛋白分解靶向嵌合體（PROTACs）進(jìn)行概念驗(yàn)證以來(lái)，PROTACs已成為通過(guò)泛素-蛋白酶體系統(tǒng)選擇性降解靶蛋白的有效工具。由于其特色的雙功能結(jié)構(gòu)，PROTACs有能力同時(shí)結(jié)合靶蛋白和E3泛素酶，形成一個(gè)三元復(fù)合物，促進(jìn)靶蛋白的多泛素化和降解。因此，PROTACs只需要短暫地與目標(biāo)蛋白結(jié)合就能誘導(dǎo)泛素化和降解，這促進(jìn)了其在“不可成藥靶點(diǎn)”上的應(yīng)用。然而，PROTAC的設(shè)計(jì)和優(yōu)化仍需要基于經(jīng)驗(yàn)主義的反復(fù)迭代優(yōu)化，這種開(kāi)發(fā)策略存在嚴(yán)重的局限性。
PROTAC設(shè)計(jì)過(guò)程示意圖。圓圈和線(xiàn)條分別代表配體和連接子，象征著智能模型從廣闊的化學(xué)空間中提取信息生成一個(gè)連接基團(tuán)將兩個(gè)蛋白質(zhì)拉近的過(guò)程。
在PROTACs的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，最棘手的是如何選擇合適的連接基團(tuán)形成合適的PROTAC活性三元復(fù)合物從而發(fā)揮降解活性和靶點(diǎn)選擇性。由于三元結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性，連接基團(tuán)的設(shè)計(jì)往往是一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)。連接基團(tuán)的長(zhǎng)度、組成、柔性、連接位點(diǎn)都會(huì)對(duì)結(jié)果造成巨大影響。另外一個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)則來(lái)自于PROTAC分子往往不符合口服藥物常見(jiàn)的性質(zhì)。作為一種多組分分子，其較大的分子量導(dǎo)致其相比于傳統(tǒng)小分子有著溶解度差、滲透性差、生物利用度低以及不可預(yù)測(cè)的Hook效應(yīng)等問(wèn)題，從而阻礙了PROTACs的臨床轉(zhuǎn)化。如何在有限的條件下理性?xún)?yōu)化PROTAC分子以克服這些缺點(diǎn)，是目前該領(lǐng)域的重大難題。
基于PROTAC-RL優(yōu)化方法 僅49天發(fā)現(xiàn)新型先導(dǎo)化合物
PROTAC-RL流程示意圖
為了解決這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于深度生成模型的PROTAC理性設(shè)計(jì)算法——PROTAC-RL。該模型以一對(duì)E3配體和彈頭作為輸入，輸出設(shè)計(jì)好的連接物，并在強(qiáng)化學(xué)習(xí)（Reinforcement Learning, RL）的引導(dǎo)下生成具有特定性質(zhì)的PROTAC分子。作為概念驗(yàn)證，研究團(tuán)隊(duì)選擇了BRD4作為靶蛋白并生成了5000余個(gè)PROTACs，依托超算通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)打分器和分子動(dòng)力學(xué)模擬方法對(duì)這些虛擬分子進(jìn)行了進(jìn)一步聚類(lèi)和篩選。
根據(jù)合成可及性，研究者最終挑選、合成并實(shí)驗(yàn)測(cè)試了6個(gè)PROTACs，其中3個(gè)顯示了對(duì)BRD4的抑制性活性。其中一個(gè)先導(dǎo)化合物同時(shí)顯示出對(duì)腫瘤細(xì)胞系的高抗增殖效力，并在小鼠中表現(xiàn)出良好的藥代動(dòng)力學(xué)（如上圖所示）。基于國(guó)家超算廣州中心生物醫(yī)藥應(yīng)用平臺(tái)、大規(guī)模并行分子動(dòng)力學(xué)模擬方法以及用于深度學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練的海量GPU算力，整個(gè)過(guò)程僅消耗了49天，證明了超算、深度學(xué)習(xí)和分子動(dòng)力學(xué)的結(jié)合能夠促進(jìn)高效的理性PROTAC設(shè)計(jì)和優(yōu)化。
生物活性測(cè)試和藥代動(dòng)力學(xué)測(cè)試
此次研究推出了一種完全自動(dòng)化的計(jì)算框架，該框架有效結(jié)合了強(qiáng)化學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的深度生成模型、機(jī)器學(xué)習(xí)和分子動(dòng)力學(xué)模擬，用于合理地設(shè)計(jì)和優(yōu)化PROTACs。在針對(duì)BRD4靶點(diǎn)的案例研究中，依托“天河二號(hào)”及生物醫(yī)藥應(yīng)用平臺(tái)，研究團(tuán)隊(duì)在不到50天的時(shí)間內(nèi)就發(fā)現(xiàn)了三個(gè)具有良好降解效應(yīng)的PROTAC分子，其中一個(gè)還具有良好的藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，該應(yīng)用是將超算、人工智能驅(qū)動(dòng)的計(jì)算策略與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合獲得有效候選藥物的典型成果之一。
