DOI: https://doi.org/10.1002/cphc.202500765
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41582554
تاريخ النشر: 2026-01-01
المؤلف: Apoorva Mathur وآخرون
الموضوع الرئيسي: هيكل البروتين والديناميات
نظرة عامة
تبحث الدراسة في دور اللصقات الجزيئية، وبشكل خاص الراباميسين وWDB002، في استقرار التفاعلات الضعيفة والعابرة بين البروتينات (PPIs) التي تكون عادةً صعبة الاستهداف. باستخدام محاكاة الديناميات الجزيئية، تكشف الدراسة أن هذه اللصقات الجزيئية تؤثر على شكل البروتين من خلال تعديل المرونة وتغيير استقرار ونمط الروابط الهيدروجينية التي تتوسطها المياه بين البروتينات. من الجدير بالذكر أن وجود اللصقات الجزيئية يميل إلى تقليل المرونة في بعض مناطق البروتين، وخاصة في FKBP12، مما يعزز من تشكيل الروابط الهيدروجينية.
تؤكد النتائج على أهمية الروابط الهيدروجينية التي تتوسطها المياه في التصميم العقلاني لللصقات الجزيئية، مما يشير إلى أن هذه التفاعلات حساسة لوجود اللصقات الجزيئية وتلعب دورًا حاسمًا في استقرار المجمعات الثلاثية. تشير طاقات الربط المحسوبة إلى أن تشكيل المجمعات الثلاثية هو مواتٍ حراريًا، مما يتماشى مع البيانات التجريبية. تدعو الدراسة إلى مزيد من الاستكشاف للطرق الحسابية لتحليل الذوبان والتفاعلات التي تتوسطها المياه في المجمعات الثلاثية، مع التأكيد على تأثيرها المحتمل على تصميم وتحسين اللصقات الجزيئية.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية أهمية التفاعلات بين البروتينات (PPIs) في العمليات البيولوجية وتغيرها في حالات المرض، مما يبرز أهمية تعديل PPI في اكتشاف الأدوية. بينما كانت الاستراتيجيات التقليدية تركز على تثبيط PPIs، فقد تحولت التطورات الحديثة نحو استقرار هذه التفاعلات من خلال الجزيئات الصغيرة. فئتان بارزتان من هذه الجزيئات هما PROteolysis TArgeting Chimeras (PROTACs) واللصقات الجزيئية. تسهل PROTACs تحلل البروتينات المستهدفة من خلال تشكيل مجمع ثلاثي مع بروتين مؤثر، بينما تعزز اللصقات الجزيئية، التي هي محور هذه الدراسة، ارتباط بروتين مؤثر مع بروتين مستهدف، مما يؤدي إلى استقرار المجمع الثلاثي.
تؤكد الورقة على إمكانية اللصقات الجزيئية لاستهداف البروتينات التي تُعتبر “غير قابلة للعلاج” بسبب عدم وجود مواقع ربط مناسبة. تصنف اللصقات الجزيئية إلى ثلاثة أنواع: تحلل، غير تحلل أو مثبتات PPI، وتلك التي تحفز التفاعل الذاتي. كما تبرز المقدمة أمثلة مدروسة جيدًا من اللصقات الجزيئية المثبتة لـ PPI، مثل الراباميسين وWDB0002، التي ترتبط بـ FKBP12 وتستقر معقدات مع شركاء بروتينات مختلفين. علاوة على ذلك، تشير الورقة إلى ظهور أدوات حسابية لنمذجة المجمعات الثلاثية ونهج الفحص المنهجي لتحديد اللصقات الجزيئية، مما يبرز الحاجة لفهم العوامل التي تسهم في استقرار هذه المجمعات، بما في ذلك دور التفاعلات التي تتوسطها المياه. تهدف الدراسة إلى التحقيق في تأثيرات اللصقات الجزيئية على مرونة البروتين واستقرار PPI من خلال محاكاة الديناميات الجزيئية، مما يوفر رؤى يمكن أن تُفيد التصميم العقلاني لللصقات الجزيئية المحسنة.
النتائج
في هذه الدراسة، تم إجراء محاكاة ديناميات جزيئية تقليدية (MD) على مجمعين ثلاثيين: FKBP12-FKBP12-الراباميسين-FRAP وFKBP12-WDB0002-CEP250. كانت المحاكاة تهدف إلى تقييم تأثير لصقة جزيئية على مرونة البروتين، استقرار المجمع، والتفاعلات التي تتوسطها المياه، مع مقارنة الأنظمة الهولو (مع اللصقة الجزيئية) والأبو (بدون اللصقة الجزيئية). يتكون مجمع FKBP12-FRAP-الراباميسين من وحدة واحدة من كل مكون، بينما يتضمن مجمع FKBP12-CEP250-WDB002 وحدتين من كل منهما.
لضمان نتائج قوية، تم إجراء ثلاث محاكاة مكررة لكل من الأنظمة الأبو والهولو، بالإضافة إلى كل مجمع ثنائي من البروتين-الليغاند، على مدى 500 نانو ثانية. تلخص النتائج من هذه المحاكاة في الجدول 1، مما يوفر رؤى حول الفروق الهيكلية والديناميكية الناتجة عن وجود اللصقة الجزيئية.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة البحثية الضوء على ملاءمة الديناميكا الحرارية لتشكيل المجمعات الثلاثية التي تشمل FKBP12، اللصقات الجزيئية (الراباميسين وWDB002)، والبروتينات المستهدفة (FRAP وCEP250). باستخدام طريقة ميكانيكا الجزيئات/مساحة السطح العامة (MM/GBSA)، تم حساب طاقات الربط للمجمعات الثلاثية، مما كشف عن قيم قدرها -61.15 ± 5.30 kcal/mol لمجمع FKBP12-الراباميسين-FRAP و-63.34 ± 1.66 kcal/mol لمجمع FKBP12-WDB002-CEP250، وكلاهما كان أقل من مجمعاتهما الثنائية. يشير هذا إلى أن المجمعات الثلاثية مواتية حراريًا، مما يتوافق مع ثوابت التفكك التجريبية التي تتماشى نوعيًا مع طاقات الربط المحسوبة.
توضح الدراسة أيضًا كيف تعدل اللصقات الجزيئية مرونة البروتين وتستقر الروابط الهيدروجينية التي تتوسطها المياه بين البروتينات. على وجه الخصوص، يقلل ارتباط الراباميسين بـ FKBP12 من مرونة الحلقة 80s، مما يسهل تشكيل تفاعلات مستقرة تتوسطها المياه. أظهرت التحليلات أن الروابط الهيدروجينية التي تتوسطها المياه كانت أكثر استقرارًا في وجود اللصقات الجزيئية، مما يشير إلى أن هذه التفاعلات تلعب دورًا كبيرًا في استقرار المجمعات الثلاثية. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية اللصقات الجزيئية في استقرار التفاعلات بين البروتينات (PPIs) وتبرز الحاجة إلى مزيد من البحث لفهم آلياتها بشكل كامل عبر مختلف المجمعات الثلاثية.
DOI: https://doi.org/10.1002/cphc.202500765
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41582554
Publication Date: 2026-01-01
Author(s): Apoorva Mathur et al.
Primary Topic: Protein Structure and Dynamics
Overview
The research investigates the role of molecular glues, specifically rapamycin and WDB002, in stabilizing weak and transient protein-protein interactions (PPIs) that are typically challenging to target. Utilizing molecular dynamics simulations, the study reveals that these molecular glues influence protein conformation by modulating flexibility and altering the stability and pattern of water-mediated hydrogen bonds between proteins. Notably, the presence of molecular glues tends to reduce flexibility in certain protein regions, particularly in FKBP12, thereby enhancing the formation of hydrogen bonds.
The findings underscore the significance of water-mediated hydrogen bonds in the rational design of molecular glues, suggesting that these interactions are sensitive to the presence of molecular glues and play a crucial role in stabilizing ternary complexes. The computed binding free energies indicate that the formation of ternary complexes is thermodynamically favorable, aligning with experimental data. The study advocates for further exploration of computational methods to analyze solvation and water-mediated interactions in ternary complexes, emphasizing their potential impact on the design and optimization of molecular glues.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the significance of protein-protein interactions (PPIs) in biological processes and their alteration in disease states, highlighting the importance of PPI modulation in drug discovery. While traditional strategies focused on inhibiting PPIs, recent advancements have shifted towards stabilizing these interactions through small molecules. Two notable classes of such molecules are PROteolysis TArgeting Chimeras (PROTACs) and molecular glues. PROTACs facilitate the degradation of target proteins by forming a ternary complex with an effector protein, while molecular glues, the primary focus of this study, promote the binding of an effector protein to a target protein, thereby stabilizing the ternary complex.
The paper emphasizes the potential of molecular glues to target proteins deemed “undruggable” due to their lack of suitable binding sites. It categorizes molecular glues into three types: degradative, non-degradative or PPI stabilizers, and those inducing self-association. The introduction also highlights well-studied examples of PPI-stabilizing molecular glues, such as rapamycin and WDB0002, which bind to FKBP12 and stabilize complexes with various protein partners. Furthermore, the paper notes the emergence of computational tools for modeling ternary complexes and systematic screening approaches for identifying molecular glues, underscoring the need for understanding the factors that contribute to the stability of these complexes, including the role of water-mediated interactions. The study aims to investigate the effects of molecular glues on protein flexibility and PPI stability through molecular dynamics simulations, providing insights that could inform the rational design of optimized molecular glues.
Results
In this study, conventional molecular dynamics (MD) simulations were conducted on two ternary complexes: FKBP12-FKBP12-rapamycin-FRAP and FKBP12-WDB0002-CEP250. The simulations aimed to assess the impact of a molecular glue on protein flexibility, complex stability, and water-mediated interactions, comparing holo (with the molecular glue) and apo (without the molecular glue) systems. The FKBP12-FRAP-rapamycin complex comprises one unit of each component, while the FKBP12-CEP250-WDB002 complex includes two units of each.
To ensure robust results, three replica simulations for both the apo and holo systems, as well as for each binary protein-ligand complex, were performed over a duration of 500 ns. The findings from these simulations are summarized in Table 1, providing insights into the structural and dynamic differences induced by the presence of the molecular glue.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the thermodynamic favorability of ternary complex formation involving FKBP12, molecular glues (rapamycin and WDB002), and target proteins (FRAP and CEP250). Using the molecular mechanics/generalized Born surface area (MM/GBSA) method, the binding free energies for the ternary complexes were computed, revealing values of -61.15 ± 5.30 kcal/mol for FKBP12-rapamycin-FRAP and -63.34 ± 1.66 kcal/mol for FKBP12-WDB002-CEP250, both of which were lower than their respective binary complexes. This indicates that the ternary complexes are thermodynamically favorable, corroborated by experimental dissociation constants that align qualitatively with the computed binding free energies.
The study further elucidates how molecular glues modulate protein flexibility and stabilize water-mediated hydrogen bonds between proteins. Specifically, the binding of rapamycin to FKBP12 reduces the flexibility of the 80s loop, facilitating the formation of stable water-mediated interactions. The analysis showed that water-mediated hydrogen bonds were more stable in the presence of molecular glues, suggesting that these interactions play a significant role in the stability of ternary complexes. Overall, the findings underscore the importance of molecular glues in stabilizing protein-protein interactions (PPIs) and highlight the need for further research to fully understand their mechanisms across various ternary complexes.