GDNF小分子调节剂的计算发现与分子建模

《Biochemical and Biophysical Research Communications》：Computational discovery and molecular modelling of small-molecule modulators of GDNF

　　

乌马坎斯·奈克·万卡多特（Umakanth Naik Vankadoth）、桑加维·潘迪（Sangavi Pandi）、西瓦兰贾尼·帕卡拉（Sivaranjani Pakala）、M·科特斯瓦拉·拉奥（M. Koteswara Rao）、巴维亚·克里希南（Bhavya Krishnan）、乌玛马赫斯瓦里·阿米内尼（Umamaheswari Amineni）

印度蒂鲁帕蒂（Tirupati）SVIMS大学生物信息学系生物信息学中心，邮编517 507

摘要

帕金森病（PD）是一种进行性神经退行性疾病，其特征是多巴胺能神经元的丢失和运动功能障碍。胶质细胞系衍生的神经营养因子（GDNF）对神经元维持至关重要；然而，其病理性的过度表达与神经炎症和PD的进展有关。本研究提出了一种综合的计算机模拟策略，以识别针对GDNF的新小分子抑制剂，从而减轻其促炎作用。在Maestro v13.4软件中，通过HTVS、SP和XP对接协议对2850万种化合物进行了基于结构的虚拟筛选。五种候选分子的结合亲和力优于参考抑制剂SOS（?6.678 kcal/mol），并与关键的GDNF残基形成了稳定的氢键和疏水相互作用。300纳秒的分子动力学模拟证实了GDNF–配体复合物的结构稳定性，这一结果得到了RMSD/RMSF曲线和有利的MMGB/PBSA结合自由能的支持。此外，DFT和PCA/FEL分析表明这些化合物具有最佳的电子特性和稳定的构象动态。其中，GDNF000064被认为是最有前景的抑制剂，能够调节GDNF的过度表达，显示出其减少神经炎症和保护多巴胺能神经元的潜力。总体而言，这一计算框架为帕金森病GDNF靶向治疗药物的合理设计提供了宝贵的见解。

引言

帕金森病（PD）是由于黑质中多巴胺能神经元的逐渐选择性退化引起的，导致纹状体中的多巴胺水平显著下降[1]。这种下降引发了典型的运动症状，如动作迟缓、肌肉僵硬、静止性震颤和平衡障碍，以及各种非运动障碍，极大地降低了生活质量[2]。PD的多因素病因包括遗传倾向和环境风险因素，这些因素会导致氧化应激、线粒体功能障碍和神经炎症[3]。最近的流行病学数据显示，到2018年，全球约有850万人患有PD，预计由于人口老龄化，这一数字将继续上升[4]。在印度，PD患病率的增加与人口老龄化趋势相吻合，对医疗保健构成了日益严重的威胁。这些复杂性要求持续进行研究，以阐明疾病机制并开发有效的治疗干预措施[5]。

目前的诊断方法结合了神经学评估、神经影像学技术（MRI和PET扫描）和分子生物标志物检测，以跟踪疾病进展[6]。分子和转录组技术的进步为PD的病理生理学提供了宝贵的见解，有助于早期诊断和个性化治疗策略[7]。PD管理的主要手段仍然是药物治疗，左旋多巴通过恢复多巴胺水平成为症状缓解的金标准[8]。辅助治疗，包括多巴胺激动剂和单胺氧化酶-B抑制剂，增加了多巴胺的可用性，可能有助于减缓症状的进展[9]。在晚期病例中，深部脑刺激（DBS）是一种外科选择，可以有效减轻运动症状，但存在认知衰退和硬件相关并发症等风险[10]。除了药物和外科方法外，生活方式的改变，如物理治疗和营养调整，在保持运动能力和支持整体健康方面也起着重要作用[12]。尽管有可用的治疗方法，PD仍然是一种进行性和无法治愈的疾病。长期使用左旋多巴常常伴随着运动并发症，包括运动障碍，严重影响日常生活[13]。此外，由于药物靶点的变化和代偿性神经适应机制的出现，治疗耐药性的出现进一步复杂化了疾病管理[14]。因此，仍然需要新的小分子和针对PD的靶向疗法。转录组分析突出了与疾病进展相关的DEGs，为未来的干预措施提供了潜在的目标[15]。

胶质细胞系衍生的神经营养因子（GDNF）被认为是PD中最有前景的神经保护候选物之一，属于转化生长因子-β（TGF-β）超家族，它在多种细胞过程中起主要调节作用。GDNF是一种由211个氨基酸组成的蛋白质，分子量约为23,720 Da[16]。它通过促进多巴胺能神经元的存活、增强多巴胺摄取和促进神经元再生来发挥强大的神经营养作用。它主要由中枢神经系统（CNS）中的星形胶质细胞和小胶质细胞释放，在神经保护和修复中起关键作用[17]。然而，新的证据表明，GDNF的慢性过度表达可能反而会促进神经炎症和不良的神经元可塑性，加剧疾病病理[18]。GDNF通过涉及其共受体GFRα1和受体酪氨酸激酶RET的信号级联途径发挥作用。在正常生理条件下，这一途径对神经元存活和轴突生长至关重要[19]。然而，在PD中，GDNF信号传导的失调与异常的轴突生长、多巴胺传递受损和神经炎症反应有关[20]。值得注意的是，虽然PD和肌萎缩侧索硬化症（ALS）中小胶质细胞的RET表达上调，但多巴胺能神经元中的RET水平下降，反映了神经营养不足和神经毒性驱动的双重病理[21]。此外，过量的星形胶质细胞GDNF表达可能通过诱导不良的突触变化来干扰多巴胺能信号传导，进一步复杂化了其治疗应用[22]。

鉴于GDNF作为神经保护剂和PD病理潜在贡献者的双重作用，精确调节其活性至关重要。虽然其神经保护特性使其成为有吸引力的治疗靶点，但未经控制的GDNF过度表达可能导致不良的神经炎症反应。最近的研究表明，使用小分子抑制剂靶向GDNF信号传导可以减轻其病理效应，同时保留其神经保护作用。

尽管对GDNF的神经保护潜力进行了广泛的实验和临床研究，但在计算上设计选择性抑制帕金森病中病理性过度表达的小分子抑制剂的工作非常有限。大多数现有研究集中在GDNF补充或基因传递策略上，而利用基于结构的药物设计来药理学下调异常GDNF信号传导的概念尚未得到充分探索。据我们所知，之前没有报告结合大规模虚拟筛选、高精度对接、长时间尺度分子动力学模拟、MM/GBSA自由能计算、密度泛函理论分析和基于PCA的自由能景观映射来识别针对帕金森病中GDNF信号传导轴的小分子调节剂。在这方面，本研究介绍了一种新的综合计算框架，旨在发现首批针对减轻神经炎症驱动的多巴胺能神经退化的GDNF抑制剂。

部分摘录

使用的软件和工具

本研究在配备Maestro v13.4（Schr?dinger LLC，2023年）和NVIDIA RTX A4000 GPU的Dell TowerEdge Precision 7290工作站上使用了计算机辅助药物设计方法，该工作站运行Ubuntu 20.04操作系统。系统通过8 Mbps宽带连接支持，可以无缝访问必要的生物信息学数据库和工具。

结构检索和准备

在与帕金森病相关的GDNF晶体结构中，目标结构是从蛋白质数据库（PDB ID）中检索到的：

蛋白质预处理和结合界面映射

人类GDNF受体是神经元存活的关键调节因子，使用其最高分辨率的晶体结构2V5E进行分析，该结构与SOS抑制剂共结晶，分辨率为2.35 ?[47]。通过严格的蛋白质制备协议改进了结构不一致性，包括缺失的环和侧链，以提高对接准确性。使用Optimised Potentials for Liquid Simulations（OPLS-2005）力场进行了能量最小化，以实现

讨论

帕金森病（PD）是一种进行性神经退行性疾病，其特征是黑质中多巴胺能神经元的选择性丢失，导致一系列运动和非运动缺陷。胶质细胞系衍生的神经营养因子（GDNF）对神经元维持至关重要，它通过与GFRα1结合促进轴突生长和调节突触可塑性，进而触发RET酪氨酸激酶受体的激活[48]。然而，新的证据表明

结论

本研究提出了一种新颖且系统的策略，通过结合先进的分子对接、虚拟筛选和分子动力学模拟来靶向帕金森病中的GDNF。利用包含2850万种化合物的综合性数据库，我们应用HTVS、SP对接和XP对接来识别具有优异结合亲和力和结构稳定性的潜在GDNF抑制剂。通过这种筛选，前五种候选分子被认为是最有前景的

利益冲突声明

本研究中不存在利益冲突

CRediT作者贡献声明

巴维亚·克里希南（Bhavya Krishnan）：数据整理、形式分析、研究。M·拉奥（M Rao）：数据整理、形式分析、研究。乌玛马赫斯瓦里·阿米内尼（Amineni Umamaheswari）：写作——审稿与编辑、验证、监督、研究、概念化。西瓦兰贾尼·帕卡拉（Sivaranjani Pakala）：研究、数据整理、概念化。桑加维·潘迪（Sangavi Pandi）：研究、形式分析、数据整理。乌马坎斯·奈克（Umakanth Naik）：写作——初稿、方法学、形式分析、数据整理

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财务支持和赞助

作者感谢印度部落福利部（Ministry of Tribal Welfare, Govt. of India）提供的JRF和SRF资金，以便在BIF进行这项研究工作（参考编号：201819-NFST-AND-01949）。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

作者声明以下财务利益/个人关系，这些可能被视为潜在的利益冲突。