N先生²：对蛋白质配体结合的高度准确的方法

一种新的方法，用于准确，有效地确定蛋白质 - 配体复合物中受体结合位点的结构，承诺彻底改变药物发现。Julien Orts博士及其在瑞士联邦理工学院的合作者正在开发一种强大而通用的技术，基于液态核磁共振（N先生），阐明蛋白质如何与药物相互作用的细节。

蛋白质是所有生物的基本构建块，从微观病毒和细菌到高度发展的多细胞生物，植物，动物和人类。它们几乎在与生命相关的所有现象中起作用，包括向个体细胞和组织提供结构支持，使得在复杂的生物中的运动，产生能量和调节体内细胞之间的信号传导。通常，通过与小分子（配体）的相互作用来调节蛋白质的生理功能，其可以与蛋白质中的特异性受体位点结合并引发反应，例如，以结构变化或化学反应的形式。例如，像素一样的配体通过增加蛋白质产生的速率或它们可以在肌肉组织中诱导弛豫来促进细胞生长。类似地，辅助因子是在许多复杂的化学反应中起重要作用的配体，其在代谢过程中保持活力的代谢过程中。大多数药物本身都可以被归类为人造配体。它们以与天然配体相同的方式，通过与蛋白质中的特定位点结合并改变蛋白质的功能。

一个著名的例子是青霉素(一种抗生素，是最早被发现对葡萄球菌和链球菌引起的许多细菌感染有效的药物之一)，由亚历山大·弗莱明于1928年发现。青霉素通过结合细菌细胞膜蛋白的受体位点发挥作用，这极大地影响了细菌细胞壁的生长，并最终导致其降解和细菌死亡。一些抗癌药物也以类似的方式起作用，通过阻断负责DNA合成的蛋白质并阻止新的癌组织的生长。了解参与细菌感染或个体发生的蛋白质如何受到特定药物的影响，以及我们如何优化这些药物，使其效果最大化，是目前药理学研究和药物发现中最关键和最深远的问题之一。

蛋白质结构确定
蛋白质通常是大型且复杂的大分子，由成千上万的原子组成，其被排列在亚基链中，称为氨基酸。蛋白质折叠成3D结构，其是每种蛋白质的特征，并以基本水平连接到蛋白质的功能。对蛋白质结构的准确了解是了解蛋白质如何运作以及如何通过药物影响的蛋白质的作用以及如何受药物影响的第一步。如今，药物发现通常通过筛选分子或分子片段的大型数据库作为所选药物靶标的潜在配体。

了解蛋白质和配体之间的相互作用的性质是药物发现的一个至关重要的问题。

这种方法容易出错，需要验证，例如验证。通过与精制的3D复杂结构进行比较。3D蛋白质结构测定中的黄金标准目前由X射线晶体学提供一种强大的方法，该方法经常用于解决蛋白质 - 配体复合物的结构，基本上在原子水平上。该技术需要晶体样品，这可能是昂贵且耗时的。X射线晶体学也可以用特定类别的蛋白质进行问题，包括膜蛋白和柔性受体。X射线晶体术的效率可以基本上使用分子替换（MR）方法来改善，这依赖于先前分辨的结构的存在，类似于在研究下的蛋白质复合物。然而，一些类别的蛋白质（如膜蛋白和柔性受体）仍然超出了X射线的能力，以及核磁共振的完全不同的技术（N先生）已被提议作为这些案件的潜在替代品。

NMR使用磁场以获得有关蛋白质中每个单独原子的环境的信息，例如其化学换档和偶极偶极相互作用。主要限制NMR是该技术需要长测量和广泛的数据分析。最近提出的和快速发展的技术Cryo-Electron显微镜，也已经显示出大型系统的药物发现具有很大的潜力。然而，目前X射线晶体学和较小程度，NMR是迄今为止，使用这两种互补技术迄今为止已经解决了数十万蛋白质结构的最广泛使用的方法。DR ORTS和他的合作者开发的新方法旨在弥合X射线和X射线之间的差距N先生，为了扩大权力和适用性N先生并使其成为药物发现的强大工具。

N先生²：绑定站点上的缩放
蛋白质 - 配体结合从非常方面产生当地的相互作用：配体仅与蛋白质中的非常特异性的位点结合，其通常仅涉及与整个蛋白质相比的相对少量的原子。粘合位点就像蛋白质中的袋，其中配体可以进入，并且其中可以通过空间稳定（即取决于口袋的形状和尺寸），静电或化学相互作用。蛋白质的全局结构最初在很大程度上不受配体结合的影响。基于这种观察，DRTS和他的合作者已经开发了一种强大的协议，以优质地详细地解决蛋白质 - 配体结合位点的结构，使用关于在单独的X射线衍射或液体中获得的蛋白质的全局结构的现有信息NMR测量。这种方法，核磁共振分子替代（N先生²），基于溶液状态VMR结构测定，但它专注于单独的结合位点的结构，而不是在全蛋白质上，因此它避免了解决整个蛋白质结构所需的冗长和繁琐的分析NMR数据。N先生²通过使用先前确定的蛋白质结构，从几个月到几天，从而大大减少了获得结合口袋的原子分辨结构所需的时间和精力。它也可以部分自动化，因此它为高通量工作流提供了一种自然工具，可用于依次筛选成千上万的潜在新药，并分析其与靶蛋白的相互作用的性质。

典型的N先生²蛋白质 - 配体结构测定需要初步制备样品，其中蛋白质或配体是同位素被取代的（^13.C，^15.n）或选择性标记（例如异亮氨酸，亮氨酸和缬氨酸甲基标记）。N然后使用MR实验来测量分子内（配体）和分子间（配体 - 蛋白）原子距离，这又提供了粘合剂袋中的配体结构模型。了解配体 - 蛋白质相互作用的确切性质，来自现有数据库的蛋白质结构（从X射线获得N然后将MR测量值用作输入信息。所选择的结构可以是蛋白质不存在配体或类似（同源物）蛋白质的结构。

这N先生²方法减少从几个月到几天内测定蛋白质 - 配体结构所需的时间。

这N先生²然后程序筛选蛋白质中的所有可能的分配组，并计算所有选项的蛋白质 - 配体复合结构。在此阶段，必须尽可能减少屏幕的配置数量。这可以通过最初将蛋白质中的分配组限制为仅3或4个相关的蛋白质。基于输入结构的知识，可以使用几何考虑来排除虚假分配。这基本上减少了计算时间。在该过程结束时，必须仔细分析所得到的复杂结构，以检测在细化过程中从蛋白质骨架的无约束弛豫引起的潜在误差。重要的是考虑足够数量的分子间距，通常至少12或15.在噪音中的高信噪比NMR Spectra和良好的信号分辨率也至关重要。

一种用于药物发现的新工具
这N先生²方法已成功应用于各类蛋白质配体复合物的分辨率。已经通过相对于参考结构的精度确定了含有强粘合剂或小配体的含有强粘合剂或小配体的结构。适用性N先生²还证实了与快速交换中配体或弱亲和性结合的复合物。在弱亲和力结合复合物HDM2-＃845的情况下，已经表征了一种新的复合物，以前从未观察过。效率N先生²由SJ212-MDMX的复杂结构表示良好，可以在使用台式计算机的一天内以1.35埃的精度解决。这些是巨大潜力的最初例子N先生²在蛋白质 - 配体相互作用和蛋白质功能的研究中，它们为其应用提供了一种快速，可靠，准确的药物发现的方案。