CDK4-Cyclin D3
概述
CDK4（Cyclin-Dependent Kinase 4）/Cyclin D3 是细胞周期调控的重要复合物，主要负责推动细胞从 G1 期进入 S 期，是细胞周期早期调控的关键步骤之一。在细胞周期的 G1 期，CDK4 通过与 Cyclin D3 结合而被激活，进而磷酸化视网膜母细胞瘤蛋白（pRb），释放 E2F 转录因子，促进与 DNA 复制和细胞增殖有关基因的表达，推动细胞进入 S 期。由于 CDK4/Cyclin D3 复合物在细胞增殖中的关键作用，其异常活性常与许多类型的癌症相关，因此，阻断 CDK4/Cyclin D3 的活性，如通过使用 CDK4/6 抑制剂（如Abemaciclib），可有效抑制肿瘤细胞的增殖和生长，成为抗癌治疗的一种重要策略。
FEP（自由能微扰）能够以化学精度计算化合物与靶标的结合自由能，主要用于先导化合物优化阶段。本案例选取了 CDK4-Cyclin D3 与abemaciclib的共晶结构（PDB ID：7SJ3）[1]作为靶点蛋白，选择专利中具有代表性的分子[2]作为本次计算的配体分子，探究了 Hermite® Uni-FEP 预测结合亲和力及指导先导化合物优化的能力。
Uni-FEP 准确计算
化合物与 CDK4-Cyclin D3 的
结合自由能
计算体系
本文使用 CDK4-Cyclin D3 与 abemaciclib 的共晶结构（PDB ID：7SJ3）快速验证专利报道的已有活性的6个化合物与 CDK4-Cyclin D3 的结合能力。化合物结构及其活性值如图1 所示：
图1 化合物结构及其活性值展示
计算过程
Hermite® Uni-FEP 提供完整的、自动化的 FEP 计算流程和结果分析指导，整个流程包括：蛋白准备、配体准备、化合物对齐（支持刚性对齐、柔性对齐和限制性对接）、最优路径的微扰图构建、原子对的自动 Mapping、结果分析。在 FEP 计算过程中，需要对叠合之后的化合物进行检查，主要检查化合物与氨基酸之间是否存在碰撞（若有，可选择 Constrained Docking 重新进行 Alignment）。
注：本案例中化合物间涉及电荷变化，如微扰图展示中 Pair（9~6） 涉及电荷变化。（带有闪电⚡️标识的连线即为电荷变化的 pairs）
图 2 化合物与靶蛋白结合模式展示（左）；微扰图展示（右）
计算结果
表 1 为 Hermite® Uni-FEP 计算 ΔG 与实验 ΔG 的结果比较表格。根据 5 个化合物活性预测结果，除化合物 9 之外，其他 4 个化合物预测结果与实验结果的 ΔG 偏差均小于1.00 kcal/mol（注：对于FEP的计算而言，预测值与实验值间的差值小于1.40 kcal/mol，化合物活性相差10倍左右，属于精度可以接受的范围）。单独分析每个化合物的计算结果和实验结果，从表中可知 Uni-FEP 预测出活性较好化合物与实验结果保持一致。
但分析计算 ΔG 与实验 ΔG 的相关性时，发现化合物 ΔG 的 Error Bar 偏大（ 如图 3 左）， 且ΔΔG 的相关性图中也发现Pair（4～9）的计算ΔΔG 和实验ΔΔG相差较大（图 3 右，左上角的点）。通过分析微扰图，可发现化合物 9 与化合物 4 和 5 结构差异较大，从而导致 Pair（4～9）计算误差偏大。为了解决由于结构差异引起的 FEP 计算误差，我们从专利中挑选化合物 120 作为中间分子，并使用 Recalculation 功能构建 Pair（ 120～9）和 Pair（120～4），以提高FEP计算的准确性和可靠性。
表1 Hermite® Uni-FEP 计算结果与实验结果比较
相对结合自由能 ΔΔG (pair) 预测值和实验值的相关性 (右)
图 4 两次计算 pairs 合并分析后微扰图展示
表 2 Hermite® Uni-FEP 计算结果与实验结果比较
图5 Uni-FEP 计算结果与实验值的相关性。横坐标为实验值，纵坐标为计算值。
Cycle closure 所得绝对结合自由能 ΔG 预测值和实验值的相关性 (左)
结论
Tips
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参考文献
[1] Gharbi S I, Pelletier L A, Espada A, et al. Crystal structure of active CDK4-cyclin D and mechanistic basis for abemaciclib efficacy[J]. NPJ Breast Cancer, 2022, 8(1): 126.
[2] Jing Li. (2023). Substituted 7- (pyrimidin-4-yl) quinolin-4 (1h) -one compounds as cyclin dependent kinase inhibitors. WO2023208172A1
关于Hermite® Uni-FEP
Uni-FEP 是 Hermite® 最新推出的药物结合自由能计算模块，将自由能微扰理论、分子动力学、增强采样算法与高性能计算相结合，能够以化学精度高效评估蛋白质与配体的结合亲和力，实现工业规模的先导化合物优化，并支持 R 基团变化、电荷变化、大环成环、骨架跃迁等复杂场景的计算和使用。近期，FEP Calculation 模块实现了算法的全面优化和升级，在保持相同精度的情况下，相比上一版本计算速度有效提升约 4 倍。
关于Hermite®
Hermite® 是深势科技打造的基于人工智能、物理建模和高性能计算的新一代药物计算设计平台，致力于为药物研发工作者提供一站式解决方案。
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