一、引言

 药物分子与靶标蛋白一般都是通过非键相互作用（即非共价作用力：氢键、阳离子-π作用、π-π作用、离子键、卤键等）而发挥药效的，其中氢键是最常见也最重要的一种结合作用。在药物-靶标的晶体结构中，可以直观地看到非键相互作用的分布。中科院上海药物研究所朱维良课题组徐志建副研究员等通过对蛋白质结构数据库（PDB）的统计分析，发现晶体结构中蛋白质-配体或者蛋白质-蛋白质形成的多种非键相互作用普遍被低估，且晶体的解析分辨率越低，这种低估现象越严重。他们还发现，这种低估作用目前还不能通过软件程序进行恢复，值得进一步研究。该研究结果已经发表于本期的JCIM（Underestimated noncovalent interactions in Protein Data Bank. https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jcim.9b00258）上并受到同行的高度关注。

二、研究结果

为研究药物-靶标间非键作用低估现象，徐志建博士等定义了一个称之为“非键相互作用饱和度”的新参数，为晶体结构中观测到的非键相互作用数与假非键相互作用数之比值，并利用该参数开展统计分析。

蛋白质-配体/蛋白质-蛋白质间的氢键被低估

氢键的表观饱和度，是指晶体结构中实际观测到的氢键数与假氢键数之比。所谓的假氢键是指在氢键的作用距离cutoff上延伸1Å，同时不考虑角度得到的氢键作用数。同一种蛋白质-配体复合物或者蛋白质-蛋白质复合物，在不同分辨率下，其密度是相同的，因此不同分辨率下的假氢键数是相同的。考虑到低分辨率下有些原子解析不出来，密度会比高分辨下低，则晶体结构中理论上应该观测到的氢键与假氢键会同步降低，导致比值不变，这个不变的比值就称为氢键的固有饱和度。

对于一个完美的晶体结构精修软件而言，表观饱和度是一个常量，等于固有饱和度。作者发现蛋白质-配体界面和蛋白质-蛋白质界面上的氢键表观饱和度随晶体分辨率变差而下降（图1），这说明随着分辨率变差，氢键被低估。

量化计算可以恢复晶体结构精修中丢失的氢键

作者从PDB数据库中选取了6对蛋白质-配体复合物，其中高分辨率下每个蛋白质-配体复合物平均形成3.2根氢键，低分辨率下形成1.5根氢键。经QM/MM优化后，高分辨和低分辨组平均都形成了3.3根氢键。图2是其中的一个例子，羟氟他胺与雄激素受体在高分辨下形成3根氢键（图2a），在低分辨下形成1根氢键（图2c），经过QM/MM优化后，高分辨下依然是3根同样的氢键（图2b），低分辨率下形成了4根氢键（图2d）。

所有晶体结构精修软件均低估氢键作用

作者统计了在晶体结构解析中最常用的7种精修软件，发现它们均低估了氢键（图3a），并且这种低估并没有随着软件版本的更新而改善（图3b），直到今天，这种低估依然存在。

其他非键相互作用在晶体结构中也被低估

进一步，作者统计了PDB晶体结构中其他的三种相互作用（阳离子-π作用、π-π作用、离子键，图4），发现也是被低估的。

三、总结

PDB晶体结构中的非键相互作用在分辨率1.5-2.0Å下即开始被低估，恢复这些被低估的相互作用将有助于设计活性更好的药物。这为晶体结构精修软件的发展提示了一个方向，同时也对药物设计理论方法的发展提出了更高的要求。

致谢

本研究工作受到国家重点研发项目等基金的资助。

参考文献

(1)   Zhijian Xu, Qian Zhang, Jiye Shi, Weiliang Zhu, Underestimated noncovalent interactions in Protein Data Bank. J. Chem. Inf. Model. 2019, 59 (8), 3389-3399.

备注：此文曾发表于公众号“ComputArt计算有乐趣”：

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUyMDc1MDA2OA==&mid=2247484370&idx=1&sn=6279be4fb8d88d1df62a60ea16ceb814&chksm=f9e4d549ce935c5f240e5ca7c377993c0da58f67e4bc74dcf51b74248ce74a3f7032e7eeac6a&mpshare=1&scene=2&srcid=0903WAkr7wPMiu9DWmIjp3Wf&sharer_sharetime=1567524555350&sharer_shareid=2c1833e4b47c7957644e7c015648aea9&from=timeline&clicktime=1567556667#rd

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