如何运用分子对接成功筛选减缓细胞衰老的天然产物

背景介绍

人口老龄化是世界各国亟待解决的问题。机体衰老与下丘脑神经干细胞衰竭密切相关。下丘脑是人体的神经-内分泌高级调节中枢，研究衰老的内分泌调控机制，筛选出维持下丘脑干细胞活力的小分子化合物，有助于深入了解与衰老相关的病理过程，提供药理靶向学研究的理论依据，为延缓衰老、预防衰老病变、提高健康寿命带来新的希望。

研究简述

中南大学湘雅医院内分泌与代谢团队从衰老的内分泌调控机制研究切入，发现一种在下丘脑神经干细胞中高度表达、并随年龄增长逐渐减少的长链非编码RNA——Hnscr 。Hnscr的耗竭可引起下丘脑神经干细胞衰老，并诱发小鼠出现衰老表型。他们运用蛋白质互作实验确证了与Hnscr具有高度亲和力的一种蛋白YB-1（Y-box Protein 1），并通过分子模拟和虚拟筛选找到了与YB-1相互作用的天然化合物TF2A，为设计研发改善衰老相关病变的药物提供了理论依据。

下丘脑在神经内分泌调节中起着至关重要的作用，它通过与外周组织进行交互和对环境和营养信息的变化作出反馈，调节生理的各方面功能。文献记载下丘脑在监督衰老过程中起着关键作用，而下丘脑神经干细胞（Hypothalamus Neural Stem Cells, htNSCs）参与了这一过程。研究人员首先通过前期小鼠实验，发现一种长链非编码RNA——Hnscr与小鼠的衰老表型有关，然后通过机制研究证实Hnscr与YB-1 蛋白结合时会阻止后者降解、并引起衰老标记基因 p16_INK4A 的转录衰减。这些发现表明YB-1可能是调控htNSC衰老的一个潜在的分子靶点。

基于以上实验事实，研究人员在殷赋云平台（https://cloud.yinfotek.com/）上对YB-1蛋白与Hnscr结合区域的结构进行分析，采用本平台的虚拟筛选方案，从化合物库TargetMol 中找到一个天然小分子化合物TF2A（茶黄素3-没食子盐酸，Theaflavin 3-Gallate）。该物质源自红茶提取物，可以模拟Hnscr的活性，增强 YB-1 蛋白的稳定性，保护它不被泛素化降解，从而减少 htNSC 细胞的衰老，改善年龄相关的疾病。这些发现揭示了衰老过程中的一种介导因子，为药理靶向学的研究提供了理论依据。

计算与结果分析

下文针对本研究中的基于分子对接的虚拟筛选方法展开介绍。

1. 以人类YB-1结构（PDB代码：1H95）为模板，利用Modeller软件对小鼠YB-1结构进行了同源建模。
2. 选择能量最低的结构进一步结构优化。
3. 为了确定优化的构象，对小鼠YB-1预测结构的环区（loop）进行优化（refinement）。
4. 使用在线工具POCASA 1.1预测YB-1的潜在结合位点。
5. 通过AutoDock Vina和Dock 6分子对接方案先后对化合物库TargetMol中的天然小分子化合物进行了虚拟筛选。

研究者首先对小鼠YB-1蛋白进行了同源建模，发现该蛋白中有一个口袋状结构。如图1A所示，绿色条带（green ribbon）表示主要的桶状结构，由 6 个反向叠层的 β-sheet组成。桶状结构上部为动态环区（dynamic loop，小麦色），预测结果显示它们之间存在由 12 个疏水氨基酸组成的小分子结合口袋（如粉红色小球所示）。分析预测结果提示，YB-1的N端有42-53个氨基酸（aa. 42-53）对这个口袋状结构的形成非常重要。从实验数据也可以看到YB-1中氨基酸42-53的缺失导致Hnscr与YB-1之间的相互作用中断（图2C和2D），这表明口袋状结构对于YB-1与Hnscr的结合是至关重要的。

为了筛选出对YB-1具有稳定作用的天然小分子化合物，研究者从天然小分子化合物库TargetMol中挑选出6000多种靶分子化合物进行了分子对接和虚拟筛选。依据成药性（drugability）标准和结合亲和力信息，研究人员选择了排名最靠前的5个小分子作为苗头化合物进行实验测试（图3）。

由图3可见，茶黄素3-没食子酸酯（TF2A）是最优选择，因为分子对接结果表明它与YB1的亲和力最大（对接打分Grid Score = -83.12 kcal/mol），可以进入YB-1的口袋状结构（图1C)。实验测得4个受试小分子化合物中，只有TF2A增强了3月龄WT小鼠htNSCs中YB-1的表达水平。

TF2A的作用机制还可以从分子对接结合模式中获得解释。限于篇幅，本文不详细讨论分析结果。想了解更多有关分子对接分析的内容，可阅读本专辑（见文章开头或下方往期好文）的前几期文章。

案例总结

在这项研究中，研究人员发现YB-1可能是调控htNSC衰老的潜在靶点，于是通过殷赋云平台基于分子对接的虚拟筛选方案确定了可与之结合的天然小分子化合物TF2A。该分子有助于提高蛋白的稳定性，同时减缓htNSCs衰老和减轻小鼠衰老相关的生理衰退程度。该天然产物可作为先导化合物，用于设计开发减缓htNSC细胞衰老并改善某些衰老相关并发症的新药，为延缓衰老、预防衰老病变、提高健康寿命带来新的希望。该成果已经发表在代谢研究领域顶级期刊《Cell Metabolism》上（IF= 22.415）。

REFERENCE

W. Lu, W. Xu, Y. Zhang, Y. Li, X. Zhou, Q. Li, H. Zhang, J. Luo and L. Kong, Org. Chem. Front., 2020, DOI:10.1039/D0QO00152J.