解码Tropifexor-FXR结合的结构和动态决定因素：一项全面的计算分析

FXR受体激活机制及Tropifexor作用研究揭示其通过π-硫醚、π-π和碳-π多重相互作用结合高亲和位点，并伴随受体螺旋框架扩展形成构象楔机制稳定激活，解离路径存在能量势阱和屏障差异。

　　

Suman Sinha | Ram Kumar

印度北方邦马图拉市GLA大学药学研究所

摘要

法尼索伊德X受体（FXR）是一种核受体，被认为是与非酒精性脂肪肝病、糖尿病和动脉粥样硬化等疾病相关的重要治疗靶点。Tropifexor是一种选择性的FXR激动剂，在治疗胆汁淤积性肝病和非酒精性脂肪性肝炎方面表现出良好的活性。在这项研究中，我们通过分子动力学（MD）模拟对Tropifexor在配体结合域内的行为进行了全面的结构分析和解离研究。对FXR-Tropifexor复合物进行多次2微秒无偏MD模拟以及WT-Metadynamics分析，揭示了配体诱导激动作用的关键方面。我们的分析表明，Tropifexor通过同时优化多种相互作用模式（包括π-硫键、π-π键和碳-π键）来实现其高FXR结合亲和力和选择性，这些相互作用模式在传统氢键作用之外提供了额外的选择性机制。结合口袋体积的扩张以及螺旋间距离的波动表明，Tropifexor通过协同的螺旋框架扩张来稳定并激活受体。此外，解离分析揭示了两种不同的解离途径。最可能的解离途径（概率80%）涉及深度能量最小值和显著的解离障碍，这促进了FXR受体的长期激活。本研究中阐明的结构特征为发现具有更强治疗效果的下一代FXR调节剂提供了合理的蓝图。

引言

法尼索伊德X受体（FXR）属于核激素受体超家族，其在调节胆汁酸、葡萄糖和脂质代谢中起着关键作用[1]。FXR在肝脏和肠道中的表达水平较高，而在肾脏、脂肪组织和肾上腺中的表达水平较低[2]。在过去二十年里，大量研究阐明了FXR在2型糖尿病、非酒精性脂肪肝病、胆汁淤积、肥胖以及肝脏和肠道的慢性炎症性疾病中的作用[3],[4]。鉴于FXR在多种疾病中的作用，它成为治疗药物开发的重要研究领域，尤其是在肠肝疾病方面[5]。FXR是一种胆汁酸激活的受体，具有两种异构体：FXRα和FXRβ[6]。FXRα还有四种亚型：FXRα1、FXRα2、FXRα3和FXRα4，这些亚型的表达具有组织依赖性[7]，而FXRβ在人类和灵长类动物中是假基因，但在某些物种中编码功能性受体[6]。FXRα1和FXRα2在肾上腺和回肠中的表达水平适中，而FXRα3和FXRα4在回肠中的表达水平较高，在肾脏中的表达水平适中[2]。FXR激活后，会与视黄醇X受体（RXR）形成异二聚体[8]，并启动小异二聚体伴侣（SHP）基因的转录，该基因长期下调包括胆汁酸、胆固醇7α-单加氧酶（CYP7A1）和肝脏受体同源物-1（LRH-1）在内的关键调节因子[9]。此外，FXR激活还能刺激成纤维细胞生长因子-19（FGF-19）的合成，通过FGF-4途径抑制CYP7A1和甾醇12α-羟化酶（CYP8B1）在肝细胞中的表达[10]。FXR还通过SHP依赖机制抑制钠牛磺胆酸共转运多肽的摄取[3]。同时，FXR通过上调有机溶质转运蛋白（OST α/β）mRNA的翻译，增加胆盐输出泵和多药耐药蛋白3的表达，从而促进胆汁酸从肝脏释放到胆管腔内（图1A）[11]。FXR的调节还涉及负责胆汁酸解毒和结合的关键酶，使其成为控制胆汁酸合成、运输和重吸收整个代谢途径的主要调控因子[3]。编码FXR的NR1H4基因的突变可能导致进行性家族性肝内胆汁淤积，这突显了FXR在维持胆汁酸稳态中的重要性[12]。在肝外和肝内胆汁淤积模型中，FXR激活可以减轻胆汁淤积并保护肝脏免受胆汁酸的高毒性影响[13]。

最近的研究还探讨了FXR在各种类型癌症中的作用[14],[15]。FXR的激活被认为对结直肠癌[15]、胆管癌[16]和肝细胞癌（HCC）[17]具有一定的抗肿瘤活性。随着奥贝胆酸（OCA）作为FXR调节剂在治疗原发性胆汁性胆管炎方面的临床成功，许多针对FXR的小分子化合物受到了关注，其中一些已经进入临床试验阶段[19],[20]。

利用分子动力学（MD）模拟可以理解蛋白质-配体复合物的中间动态过程[21]。这些模拟有助于了解FXR与不同配体结合时的构象变化（图1B），并解释了设计出的调节剂的选择性和效力的结构基础，从而帮助开发出更具特异性和疗效的治疗药物。

X射线晶体学[22]和后续MD研究揭示了FXR复合物与各种配体的动态结构，为激活/抑制机制提供了深入的见解[23]。本研究阐明了诺华公司开发的候选药物Tropifexor与FXR配体结合域之间的相互作用机制（图2）。Tropifexor的作用机制在于其作为选择性非酸性FXR激动剂的功能，能够激活FXR[24]。这种激活最终会诱导参与胆汁酸合成/运输、脂质和葡萄糖代谢的基因表达，并降低肝脏中的胆汁酸和脂质水平。我们对Tropifexor与FXR结合的MD模拟提供了关于配体-受体相互作用的结构、动态和能量学的详细信息，为开发更具选择性和疗效的新分子奠定了基础。

小节摘录

无偏MD

FXR复合物的初始坐标来自RCSB PDB（PDB ID：7D42）[22]。MD模拟系统是通过CHARMM GUI [25],[26],[27]网站准备的[28]。配体（Tropifexor）使用Antechamber模块通过GAFF2力场进行参数化[28]。复合物被限制在边长为10 ?的立方盒子内，并使用TIP3P水模型进行溶剂化[29]。此外，复合物用KCl中和。

Tropifexor-FXR之间的相互作用

Tropifexor与FXR之间的相互作用是其药理机制的关键方面，特别是在治疗胆汁淤积性肝病和非酒精性脂肪性肝炎（NASH）方面的潜在疗效中。相互作用残基的结构集合和均方根波动（RMSF）图为Tropifexor在FXR配体结合域（LBD）内的结合亲和力和稳定性提供了宝贵的分子基础。

讨论

对Tropifexor与FXR相互作用的全面分析揭示了其作为强效FXR激动剂的分子和动态机制。通过整合结构快照、RMSF图、自由能分析（如MMGBSA）、FES分析、结合口袋体积动态、螺旋间距离测量、RMSD曲线[52]以及解离研究，本研究阐明了Tropifexor结合的多方面特性及其对FXR的稳定作用。

结论

由于FXR对胆汁酸和脂质代谢的调节作用，它是NASH和胆汁淤积性肝病的重要治疗靶点。本研究表明，Tropifexor作为一种非甾体FXR激动剂，通过高亲和力结合模式实现强效和选择性的受体激活，这种结合模式的特点是稳定的疏水性和极性相互作用、受限的构象以及扩大的配体结合口袋。配体诱导的关键螺旋（H3、H4、H5）的稳定作用...

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

CRediT作者贡献声明

Suman Sinha：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、项目管理、研究、数据分析、概念构思。 Ram Kumar：撰写——初稿、研究、数据分析

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在准备本工作时，作者使用了Grammarly和ChatGPT来提高手稿的可读性和语言质量。使用这些工具/服务后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对出版物的内容负全责。

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致谢

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