Präzise Charakterisierung der Bindungskinetik und allosterischen Mechanismen von HSP90-Chaperon-Inhibitoren mittels KI-unterstützter integrativer biophysikalischer Studien

Die Bindungskinetik von Medikamenten an ihre Zielstrukturen wird zunehmend als entscheidender Indikator für die Wirksamkeit von Medikamenten in vivo erkannt, was in den letzten Jahren zur Entwicklung verschiedener computergestützter Methoden zur Vorhersage der Bindungskinetik geführt hat. Im Vergleich zur Vorhersage der Bindungsaffinität sind jedoch die zugrundeliegenden Strukturfaktoren und dynamischen Determinanten der Bindungskinetik komplexer. Effiziente und genaue Methoden zur Vorhersage der Bindungskinetik fehlen weiterhin. In dieser Studie wurden quantitative Struktur-Kinetik-Beziehungsmodelle (QSKR) unter Verwendung von 132 Inhibitoren entwickelt, die auf die ATP-Bindungsdomäne von Hitzeschockprotein 90α (HSP90α) abzielen, um die Dissoziationsrate (koff) vorherzusagen, wodurch eine direkte Bewertung der Verweildauer des Medikaments am Ziel ermöglicht wird. Diese Modelle zeigten eine gute Vorhersageleistung, wobei hydrophobe und Wasserstoffbrücken-Wechselwirkungen die koff-Vorhersage signifikant beeinflussen. In nachfolgenden Anwendungen wurden unsere Modelle zur Unterstützung der Entdeckung neuer Inhibitoren der N-terminalen Domäne von HSP90α (N-HSP90α) eingesetzt und zeigten Vorhersagefähigkeit auf einem experimentellen Validierungssatz mit einem neuen Gerüst. In Röntgenkristallographie-Experimenten wurde erstmals die Loop-Middle-Konformation von apo N-HSP90α beobachtet (zuvor war die Loop-Middle-Konformation nur in holo-N-HSP90α-Strukturen nachgewiesen). Interessanterweise beobachteten wir gleichzeitig verschiedene Konformationen von apo N-HSP90α in einer asymmetrischen Einheit, was auch in einer holo-N-HSP90α-Struktur festgestellt wurde, was auf ein Gleichgewicht der Konformationen zwischen verschiedenen Zuständen in Lösung hindeutet, das einer der Determinanten für die Bindungskinetik des Liganden sein könnte. Verschiedene Liganden können eine Konformationsselektion durchlaufen oder das Gleichgewicht der Konformationen verändern, was Konformationsumstellungen induziert und unterschiedliche Effekte auf die Bindungskinetik bewirkt. Anschließend verwendeten wir Molekulardynamik-Simulationen, um Konformationsänderungen von apo N-HSP90α in verschiedenen Konformationszuständen zu beschreiben. Zusammenfassend liefert die Untersuchung der Bindungskinetik und molekularen Mechanismen von N-HSP90α wertvolle Informationen für die Entwicklung gezielterer therapeutischer Ansätze.