分子动力学--不同拮抗剂与5-HT1AR结合机制的研究：一项分子对接与分子动力学模拟分析

作者，Evil Genius

国庆就这么结束了，好想回到9月30号啊。

今天继续分子动力学

知识积累

明确配体与靶蛋白的精确结合机制，是基于结构的药物设计实现先导化合物理性优化及新药发现的核心环节。分子对接与分子动力学模拟可在原子层面预测结合亲和力，解析配体-蛋白相互作用模式。

研究采用常规分子对接与分子动力学模拟方法，系统解析上述六种代表性拮抗剂与5-HT₁AR的结合机制：首先通过分子对接探索六种拮抗剂的潜在结合构象，并对其药效团进行精细解析；继而开展多轮分子动力学模拟，监测不同拮抗剂结合状态下5-HT₁AR的构象动力学变化，揭示六种拮抗剂的差异化结合机制。

结果1、拮抗剂与5-HT₁AR的结合构象呈现多样性

分子对接技术已被广泛应用于探索配体与5-HT₁AR的潜在结合模式。

六种拮抗剂中sdz216-525表现出最优对接打分（-9.5 kcal/mol），而nad299打分最高（-7.5 kcal/mol）。通过Ligplot分析相互作用残基发现：sdz216-525与受体结合最强，与16个残基（Y5.38、S5.42、F6.51、V3.33、F6.52、A5.46、A6.55、V6.54、Y7.43、A7.36、N7.39、G7.35、T3.37、SEL2、IEL2、CEL2）产生疏水作用，并与Y2.64和TEL2形成氢键；而nad299仅与7个残基（I3.29、T7.32、G7.35、N7.39、A7.36、Y2.64、TEL2）产生疏水作用，与CEL2形成单一氢键，表明其相互作用最弱。

为进一步解析拮抗剂在结合口袋中的精细模式，我们分析了六种配体的药效团特征。所有拮抗剂均含芳香环共同药效团，除nad299外均具有哌嗪结构——这正是勒考唑坦、way101405、nan190、sdz216-525和way100635属于芳基哌嗪衍生物的原因。该结构常见于已获批抗焦虑、抗抑郁及抗精神病药物的5-HT₁AR靶向药物中，具有选择性或多靶点特性。

除共同芳基哌嗪骨架外，各拮抗剂的特异性药效团介导了其与5-HT₁AR的独特相互作用：way101405的吡啶氮原子与nan190的异吲哚-1,3-二酮羰基氧分别与KEL2形成氢键，稳定配体结合方向；sdz216-525的1,1,3-三氧代-1,2-苯并异噻唑酰基磺酰基作为强氢键受体，与Y2.64和TEL2形成双氢键；nad299的双环丁氨基赋予空间位阻与构象刚性，其5-羧酰胺作为氢键供体与极性残基CEL2特异性结合。既往研究证实药效团结构决定结合亲和力：例如5-羟基-4,7-二甲基香豆素芳基哌嗪衍生物中，氟/氰基取代可降低Kᵢ值提升亲和力，而替换哌嗪或苯环则显著降低活性⁷²。

结合口袋体积计算结果显示，六种体系体积变化范围为1350.86-1727.14 ų。其中勒考唑坦形成最大口袋（1727.14 ų），可能因其4-氰基苯甲酰胺和二氢苯并二噁英大体积基团需占据更多空间；sdz216-525结合时形成第二大体積口袋（1635.12 ų），其余依次为way101405（1556.5 ų）、way100635（1548.07 ų）和nan190（1467.94 ų）。 Nad299凭借其紧凑的3,4-二氢-2H-色满核心与双环丁氨基维持刚性结合构象，形成最小口袋（1350.86 ų）。

结果2、不同拮抗剂诱导5-HT₁AR发生构象变化

通过分析七个体系中5-HT₁AR主链相对于初始构象的均方根偏差（RMSD）随时间演化曲线发现：在最后100 ns模拟时间内，Apo体系（未结合配体）的RMSD始终维持在0.25 nm左右的较低水平，而所有"蛋白-配体"复合物体系的RMSD均出现不同程度显著升高，表明不同拮抗剂的结合会引发5-HT₁AR构象变化。同时，各体系在最后100 ns的RMSD值未出现剧烈波动，证明所有分子动力学模拟均达到平衡状态。

5-HT₁AR遵循A类GPCR的典型结构：其α螺旋结构形成7个跨膜结构域（TM），包含3个胞内/胞外环，N端位于细胞外侧，C端位于胞质侧。研究表明TM结构域对受体构象状态具有关键作用。为明确在模拟时间尺度内具体受影响的TM区域，监测了七个体系中各TM的RMSD变化。分析显示：Apo体系中TM5和TM6的RMSD在最后100 ns分别稳定于0.18 nm和0.32 nm；而六种拮抗剂存在时，TM5的RMSD随模拟时间发生显著波动（尤其在NAN190和SDZ216-525体系中），TM6的RMSD在Apo体系与复合物体系间也呈现差异（同样在NAN190和SDZ216-525体系中最为明显）。相比之下，TM1-TM4及TM7均未发生显著变化，证实六种拮抗剂引起的5-HT₁AR整体RMSD升高主要源于TM5与TM6的构象改变。

通过进一步计算七个体系中5-HT₁AR各残基的均方根涨落（RMSF），发现所有"蛋白-配体"体系的整体RMSF值均高于Apo体系，其中RMSF增幅最大区域集中在TM5和TM6，与RMSD分析结果一致。分析展示了500 ns时刻的5-HT₁AR构象：与Apo体系相比，在nan190、sdz216-525和way100635结合状态下，TM6发生明显向内位移，TM5则呈现轻微外移；而结合lecozotan、nad299和way101405时，受体构象变化较轻微——TM6仅出现细微内移，TM5未见明显变化。

TM6胞质侧位移是区分GPCR状态的关键结构特征，且TM3-TM5-TM6的局部构象重排构成GPCR构象变化的核心要素。进一步深入分析了TM6的运动轨迹，并基于最后100 ns数据计算了TM6-TM3与TM6-TM5质心距离的概率密度函数（PDF）。

六种拮抗剂通过差异化方式诱导TM3-TM5-TM6发生相对位置重排。

结果3、Lecozotan展现最优结合倾向，Nad299亲和力最弱

为表征六种拮抗剂与5-HT₁AR的结合亲和力，分析了配体-受体间的平均总接触数及疏水接触数。

通过残基水平接触数分析，发现六种拮抗剂均倾向于与芳香族残基Y2.64、W7.40、F3.28、F6.51，极性残基N7.39以及疏水残基IEL2、A6.55结合。

勒考唑坦：与Y2.64、W7.40、N7.39高接触 Nad299：与Y2.64、F3.28、N7.39强接触 Way101405：主要结合Y2.64、F6.51、N7.39 Nan190：主要结合Y2.64、N7.39、G7.35 Sdz216-525：优先与IEL2、A6.55、F6.51作用 Way100635：倾向结合F6.51、IEL2、N7.39

虽然MM-PBSA方法广泛用于结合自由能估算，但其计算结果显示：范德华作用为主要能量贡献项，六种拮抗剂结合能范围-17.04±0.11至-32.21±0.12 kcal/mol，其中WAY100635结合能最强，此结果与接触数分析存在差异。该差异源于MM-PBSA在溶质熵估算方面的局限性，且该方法对带电/极性残基（D3.32、KEL2、D2.50、N7.39）结合能计算存在正向偏差，与文献报道的电荷/极性残基结合能高估现象一致。鉴于接触数能综合反映配体-受体间所有相互作用的累积效应，本研究选择以接触数而非结合能作为结合亲和力的评判标准。

结果4、六种拮抗剂通过多重结合模式与5-HT₁AR结合

研究通过深入分析氢键、阳离子-π/阴离子-π及π-π堆叠相互作用，揭示了六种拮抗剂与5-HT₁AR结合的差异化分子机制。

1. 氢键相互作用

• 主导作用：侧链氢键是拮抗剂与5-HT₁AR结合的主要作用力，其数量多于主链氢键。
• 关键残基：残基N7.39、IEL2、KEL2和Q2.65与所有六种拮抗剂均形成较多氢键。
• 代表性案例：SDZ216-525的吲哚-NH基团作为氢键供体，与残基S5.42形成稳定氢键，显著增强了结合。

2. 阳离子-π与阴离子-π相互作用

• 阳离子-π：Lecozotan和NAN190能与带正电的残基KEL2形成强阳离子-π相互作用，并与氢键协同作用，使其能像"抓手"一样紧握受体。
• 阴离子-π：Lecozotan和NAD299能与带负电的残基D3.32形成阴离子-π相互作用。例如，NAD299的芳香环与D3.32的羧基形成该作用，同时其5-羧酰胺基团还与Y7.43和D3.32形成氢键网络。

3. π-π堆叠相互作用

• 关键贡献：π-π堆叠在配体结合中扮演关键角色，Lecozotan表现出最高的π-π堆叠接触数，表明该作用是其结合的主要驱动力。
• 核心芳香残基：Y2.64、F3.28、W7.40和F6.51是稳定拮抗剂结合的关键芳香残基。
• 多样化堆叠模式：不同拮抗剂与芳香残基之间形成不同的堆叠构型：
• 人字形：Lecozotan与Y2.64；Nad299与F3.28。
• 垂直型：Nad299和Way101405与Y2.64；Sdz216-525和Way100635与F6.51/F6.52。
• 平行型：Nan190与F3.28。

总结

六种拮抗剂通过与5-HT₁AR形成独特的氢键、静电（阳离子-π/阴离子-π）和疏水芳香（π-π堆叠）相互作用组合，实现了差异化的结合。其中，Lecozotan凭借最强的π-π堆叠作用和多重结合模式，展现出最优的结合倾向。

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