PROTAC（Proteolysis Targeting Chimeras）是一种新型靶向蛋白降解技术，通过设计双功能小分子来诱导特定蛋白质（protein of interest， POI）的降解。PROTAC分子由三个关键部分组成：能够与目标蛋白结合的靶蛋白配体，连接子，与E3泛素连接酶结合的E3 配体。PROTAC可以诱导靶标蛋白POI与E3 连接酶形成三元复合物，从而促进POI被泛素化而被识别降解 （Fig.1）。由于其拥有不需要与POI的活性位点结合，且可以采用催化机理被循环利用等优势，为治疗难以用传统药物靶向的疾病（如癌症）提供了新的思路，尤其在靶向“不可成药”蛋白质方面显示出潜力。

Fig.1 PROTAC诱导靶向蛋白降解原理示意图 （Nature Communication 13, 7133 (2022)）

对于PROTAC的计算机辅助设计 （Computer-Aided Drug Design, CADD）方兴未艾。设计可以分别针对靶蛋白配体，连接子，E3配体分别展开。其中对于连接子的设计尤为关键：因为连接子可以很大程度上影响蛋白的整体构象，结合方向和三元复合物的形成，其长度和结构都对PROTAC的效能重要影响。但传统的大量计算方法只适用于二元配体-蛋白或蛋白-蛋白复合物的设计，对于筛选高效的PROTAC以形成有效的三元复合物的计算方法仍处于开发阶段。

来自威斯康星大学麦迪逊分校的黄旭辉教授团队与Atommap和Psivant 药物公司联合发展了一套基于全原子分子动力学和非马尔科夫动力学模型的计算方法来高效广泛探索靶蛋白和E3 连接酶之间的亚稳态蛋白-蛋白相互作用 （protein-protein interactions, PPIs），从而为PROTAC连接子设计提供了基础。该方法在对于KRAS癌症蛋白以 von Hippel Lindau (VHL) E3 连接酶降解系统上成功实现多种不同PPIs亚稳态发现，被发现的PPIs被证明不仅有高热力学稳定性（较低的自由能），还被证明有高的动力学稳定性（较长的寿命）。其中一种计算预测的PPI和两周前实验用冷冻电镜表征的三元复合物中的PPI高度一致 (Science 2024, 385 (6715), 1338−1347)，远优于传统的蛋白-蛋白对接结果。相关结果发表在JACS Au期刊上：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacsau.4c00503

该文章提出的计算流程（Fig.2）为 (1). 对靶蛋白配体结合的POI和E3配体结合的E3连接酶进行蛋白-蛋白对接来广泛探索可能存在的蛋白-蛋白相互作用；(2). 从不同的对接构型出发分别进行数条非常短的分子动力学模拟；(3). 基于大量的很短的分子动力学模拟建模非马尔科夫动力学模型；这步建模包括对PPI进行特征提取，降维，聚类和整合，由于整个建模过程中考虑分子动力学模拟的时间序列信息，所以建模得到的态都是有长寿命的亚稳态。非马尔科夫动力学模型的优势是可以从短的轨迹中预测长时间的速率信息，文中通过纳米级别的模拟准确预测了毫秒量级的动力学以及相关热力学性质。

Fig.2 基于分子动力学模拟和非马尔科夫动力学模型揭示亚稳态蛋白-蛋白相互作用

接着，作者对不同亚稳态中的PPIs进行表征和筛选（Fig.3）。为了寻找合适连接子设计的PPIs，作者提出，亚稳态中的PPIs结构应该具有较小的非均相性(RMSD1%)，较大的埋藏表面积(>500)，这对应于高热力学稳定性。并且作者发现可以通过溶剂可接触面积确定靶蛋白配体和E3配体上的可连接位点，连接这些位点可以最大程度保证配体和蛋白的自然稳定相互作用。可连接位点之间的距离应该保持在5到15个碳原子长度，更长和更短的连接子通常不具备好的性能。

Fig.3 筛选合适连接子设计的PPIs

基于上述筛选原则，作者揭示了多种不同的亚稳态PPIs. 其中一种PPIs与实验冷冻电镜发现结构高度一致 (Fig. 4)。但如果采用简单的分子对接技术则无法达到此高精度预测。同时，使用AlphFold3对KRAS-VHL系统PPIs进行50测预测的结果更是相形见绌 (Fig. 5)。作者提出，被筛选出的PPIs可以用于连接子高通量筛选，如果连接子可以最大程度上维持亚稳态的PPIs，那么因为被认为更具有成药潜力。

Fig. 4计算结果与实验结果对比：紫色为实验结构，绿色为分子对接预测结果，橙色为非马尔科夫动力学模型预测结果

Fig. 5 非马尔科夫动力学模型IGME计算结果，AlphaFold3预测结果和实验结果对比

Qiu, Yunrui, Rafal P. Wiewiora, Jesus A. Izaguirre, Huafeng Xu, Woody Sherman, Weiping Tang, and Xuhui Huang. "Non-Markovian Dynamic Models Identify Non-Canonical KRAS-VHL Encounter Complex Conformations for Novel PROTAC Design." JACS Au (2024).