2024年3月19日，中國科學院上海藥物研究所朱維良/徐志建團隊基于數據庫統(tǒng)計分析，并結合量子化學計算和分子動力學模擬對蛋白/多肽中的鹵鍵進行了研究，發(fā)現在蛋白-多肽相互作用界面的鹵鍵可以增強它們的結合親和力，蛋白內部形成的分子內鹵鍵有助于提高蛋白質的結構穩(wěn)定性，而對于不能形成分子內鹵鍵的蛋白質則會導致其結構穩(wěn)定性降低。該研究成果以題為“Impact of Halogen Bonds on Protein–Peptide Binding and Protein Structural Stability Revealed by Computational Approaches”的文章¹發(fā)表于藥物化學領域著名期刊Journal of Medicinal Chemistry。該研究為鹵鍵應用于多肽/蛋白藥物的研發(fā)提供了理論性指導。

共價結合的鹵素原子周圍電荷分布具有各向異性，存在一個帶正電的σ空穴，可以與親核試劑相互作用形成鹵鍵作用（XB）。鹵鍵是分子識別和藥物設計中重要的非共價相互作用。在藥物設計中，已有的研究主要集中在含鹵小分子化合物與靶標蛋白之間的鹵鍵。在自然界中，一些蛋白質和肽類化合物也含有鹵素原子，而鹵代蛋白質和鹵代肽類化合物的合成也是科研人員關注的一個領域，但目前仍然缺乏對鹵代蛋白質或肽所形成的鹵鍵的系統(tǒng)研究。

研究人員首先對PDB數據庫中的195,093個三維結構進行了篩選，發(fā)現鹵代蛋白或鹵代多肽所形成的鹵鍵主要存在于蛋白-多肽相互作用界面（inter_XBs）以及蛋白結構內部（intra_XBs）（圖一a）。通過統(tǒng)計分析發(fā)現，側鏈原子（氮和氧）比主鏈原子更有可能充當鹵鍵受體（圖一b），而在蛋白與小分子化合物所形成的鹵鍵中，這種趨勢并不明顯²。

圖一. 含鹵蛋白/多肽的統(tǒng)計結果（^aNo_XB表示未形成鹵鍵）

對于蛋白-多肽間的鹵鍵，研究人員通過QM/MM結構優(yōu)化、自然鍵軌道（NBO）理論和獨立梯度模型（IGM）分析，證實蛋白-鹵代多肽復合物間形成了強鹵鍵（圖二）。為了進一步研究鹵鍵對蛋白-多肽結合的作用，研究人員對鹵代前后蛋白-多肽復合物的優(yōu)化結構進行了結合能計算，計算結果表明鹵鍵的存在顯著增強了蛋白-多肽間的結合作用（表一）。

圖二. 蛋白-鹵代多肽復合物優(yōu)化前后的幾何結構。初始復合物結構以灰色展示（幾何參數為洋紅色），優(yōu)化后復合物結構以青色展示（幾何參數為深藍色）。

對于鹵代蛋白質所形成的分子內鹵鍵（intra_XBs），研究人員采用分子動力學模擬結合EP（extra point）模型對鹵代蛋白的結構穩(wěn)定性進行了研究，發(fā)現鹵代對不同蛋白質結構穩(wěn)定性的影響不同（圖三）。對于結構柔性較強的蛋白，鹵代對結構穩(wěn)定性的影響較顯著。具體地，對于鹵代能形成分子內鹵鍵的2ZXV體系，鹵代后蛋白的結構穩(wěn)定性增強；而對于鹵代不能形成分子內鹵鍵的5KI8體系，鹵代后蛋白的結構穩(wěn)定性降低。此外，對于結構剛性較強的3VN3體系，鹵代對蛋白結構穩(wěn)定性的影響并不明顯。研究人員進一步計算了鹵代前后蛋白氨基酸的局部相互作用時間（LIT）差值（ΔLIT = LIT_X–LIT_noX），結果表明鹵素的引入還會對氨基酸殘基間的接觸程度產生影響（圖四），這應該是影響穩(wěn)定性的一個重要因素。如在形成分子內鹵鍵的2ZXV體系中，研究人員觀察到鹵代后氨基酸殘基間的接觸程度增強；而在未形成分子內鹵鍵的5KI8體系中，鹵代后殘基間的接觸程度減弱。

圖三. 蛋白鹵代前后的回旋半徑分布。X表示蛋白含鹵，noX表示蛋白不含鹵。

圖四. 蛋白含鹵前后氨基酸的ΔLIT。LIT用于衡量氨基酸與周圍氨基酸的接觸程度。ΔLIT = LIT_X–LIT_noX，ΔLIT>0表示含鹵蛋白中氨基酸與周圍氨基酸的接觸程度大于不含鹵蛋白中氨基酸與周圍氨基酸的接觸程度。

該論文第一作者為上海藥物所博士研究生李錦添，通訊作者為上海藥物所徐志建研究員和朱維良研究員。該項研究工作得到了國家自然科學基金和科技部重點研發(fā)項目的資助。

徐志建/朱維良團隊多年來致力于鹵鍵領域的相關研究，首次闡明了鹵鍵作用的本質³，揭示了PDB數據庫中鹵鍵等分子間作用力被普遍低估的現象⁴，首次發(fā)現核酸也可作為鹵鍵受體⁵。

全文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jmedchem.3c02359

參考文獻

[1] Impact of Halogen Bonds on Protein–Peptide Binding and Protein Structural Stability Revealed by Computational Approaches. J. Med. Chem. 2024, 67 (6), 4781-4792.

[2] Preferred microenvironments of halogen bonds and hydrogen bonds revealed using statistics and QM/MM calculation studies. Phys. Chem. Chem. Phys. 2023, 25 (26), 17692– 17699.

[3] Halogen bonding in differently charged complexes: basic profile, essential interaction terms and intrinsic σ-hole. Phys. Chem. Chem. Phys. 2019, 21 (27), 15106– 15119

[4] The Underestimated Halogen Bonds Forming with Protein Side Chains in Drug Discovery and Design. J. Chem. Inf. Model. 2017, 57 (1), 22?26.?

[5] Halogen Bonds Exist between Noncovalent Ligands and Natural Nucleic Acids. J. Med. Chem. 2022, 65 (6), 4424?4435.