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细胞周期蛋白依赖性激酶在细胞周期进程中起着重要的作用，是治疗癌症等疾病的潜在药物靶点。细胞周期蛋白依赖性激酶 (Cdk) 通过与其细胞周期蛋白相互作用来调节细胞周期阶段性进程。Cdk主要在以下过程中发挥关键作用：有丝分裂信号、致癌基因诱导或复制性衰老、生长抑制信号、转录功能和DNA损伤。因此，Cdk是治疗癌症等疾病的潜在药物靶点。
2022年7月14日，华中师范大学赵蕴杰教授团队与美国乔治华盛顿大学曾辰教授合作在Briefings in Bioinformatics在线发表了题为Prediction of allosteric druggable pockets of cyclin-dependent kinases的最新研究成果。该论文综述了周期蛋白依赖性激酶结构与抑制剂研究的进展与挑战，对激酶家族结合口袋的序列与结构拓扑特征做了细致的分析。在此基础上，团队利用分子动力学模拟、自由能精确计算和动态复杂网络等物理模型定量分析抑制剂对激酶结构与功能的影响，可精确预测靶向结合位点与特异性抑制剂，为靶向激酶的药物研发提供了理论指导与科技支撑。
Cdk (EC 2.7.11.22) 属于CMGC激酶组，由从Cdk1到Cdk20的20个Cdks 组成。Cdks的可用晶体结构包含大约300个氨基酸。Cdks在序列上高度保守，其中约30%为中度保守区域，40%以上为高度保守区域。此外，Cdks结构高度相似，相邻亚族的均方根偏差(RMSD) 值约为1 Å。尤其是催化的ATP口袋区域结构高度相似，其中Cdk2和Cdk9之间的均方根偏差仅0.4 Å。因此，结合ATP口袋的催化抑制剂可能同时影响多种Cdk蛋白并导致副作用。因此，亟需发现选择特异性较高的药物结合口袋和非催化抑制剂。
论文中提出的激酶抑制剂理论计算方法可以通过四个步骤描述：第一步采用滚动探针识别激酶结构的口袋区域，定量计算组成口袋的氨基酸序列保守性与口袋结构的拓扑特征。第二步通过分子动力学模拟和动态复杂网络物理模型评估结合口袋对激酶结构和功能的影响，识别潜在的靶向位点。第三步利用基于动力学的精确自由能计算、功能界面相互作用计算、和基于复杂网络的运动关联性分析等模型综合评估抑制剂结合前后激酶结构的构象变化，筛选潜在的激酶抑制剂。第四步采用基于增强采样的拉伸动力学模型对潜在抑制剂进行理论验证。实验结果表明，该方法可以成功筛选特异性靶向抑制剂。
该理论模型已成功应用于多项激酶口袋发现和抑制剂筛选研究。例如，在Cdk2的抑制剂研究中，该方法被用于分析Cdk2/Cyclin复合物中潜在变构口袋的动态相关性，根据该方法框架筛选出的两种多肽抑制剂在实验中被证实了可以在体外部分分解 Cdk2/Cyclin复合物并降低其激酶活性。此后，在Cdk9相关的HIV-1潜伏期机制研究中，该方法被用于分析变构抑制剂F07#13对Cdk9/Cyclin T1相互作用界面的影响，理论结果与实验十分一致，证实了抑制剂F07#13降低了HIV感染细胞中Cdk9的激酶活性。在激酶变构口袋的数据库研究中，该方法被用于系统表征人类激酶组中168种代表性激酶蛋白上的29 个特异性非催化(GSNC)口袋并对其进行聚类法分析，结果与实验高度一致。因此，基于网络的变构口袋探测方法可能有利于激酶药物设计。
作者根据基于复杂网络的理论计算模型筛选了靶向TL-pocket的Cdk9抑制剂F07#13。在理论检验中，作者利用HDOCK预测了F07#13与Cdk2（粉红）、Cdk4（黄色）、Cdk6（蓝色）和Cdk9（绿色）的复合物结构。结果表明，在Cdk9/F07#13对接中的top3构象都靶向TL-pocket结合位点，另外3个复合物对接结果均靶向不同的结合口袋。F07#13对Cdk9有较高的选择特异性，与实验结果一致。
在激酶抑制剂的研究中，如何预测靶向口袋并筛选或设计具有较强亲和力的特异性抑制剂是目前的难点问题。例如，CMGC激酶家族中变构口袋的几何参数（体积、表面积和深度）远小于催化的ATP口袋，因此可能导致变构抑制剂的结合亲和力较弱。作者在论文中提出了一种可行的方案，同时筛选两个或多个激酶靶向抑制剂作用于不同变构靶点，可以解决一种抑制剂结合亲和力和抑制效果较弱的问题。
https://doi.org/10.1093/bib/bbac290
制版人：十一
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