蛋白降解靶向嵌合体（PROTAC）通过招募E3连接酶形成三元复合物来降解蛋白质，但决定降解效率的各类影响因素仍尚不明确。为此，来自上海科技大学的研究者及其合作者提出了一个基于分子动力学（MD）的整合式框架，其结合了分子表面表征和相互作用分析，用于探究PROTAC的结构与降解能力之间的关系。
图注：研究摘要图
在多种PROTAC体系中，该框架揭示了单分子稳定性、复合物相互作用以及三元复合物动力学如何共同决定降解结果。同时，赖氨酸拓扑结构决定了有效泛素化所需的几何条件。基于这些原理，研究者设计并合成了一系列优化型CDK12降解剂，其中最佳降解剂的DC50值为6.5 nM，Dmax值达98.5%，效力提升了约4倍。
图注：研究PROTAC的整合式结构与计算策略总览
其中，研究者借助Schrödinger完成了PROTAC三元复合物建模、连接子（linker）构象采样与蛋白结构预处理，产出了用于MD模拟的初始构象，以及构象势能分析数据。
1. PROTAC三元复合物的计算建模
图注：PROTAC分子的连接子性质会影响VHL-SMARCA三元复合物的组装以及极性蛋白互作界面的稳定性，可为优化靶蛋白降解效率提供设计指导
首先，研究者从数据库检索到PROTAC及其连接子变体的三元复合物结构，对晶体结构中的连接子区域进行了修改从而构建初始复合物模型。由于直接修改连接子难以得到优势构象，因此研究者采用了Schrödinger MacroModel的构象搜索模块采样连接子构象。连接子原子作为自由运动的子结构，周围蛋白原子为两层同心壳层，半径6 Å内设置约束原子壳层，8 Å外层原子设置固定原子壳层，以便保留蛋白局部环境。
所得复合物借助Biologics模块的同源建模补全缺失环区，随后运行Protein Preparation Workflow。质子化状态使用Epik在pH 6.9±0.5条件下进行分配。然后使用Prime中的能量最小化（Minimize）和侧链预测（Predict Side Chains）功能，结合VSGB溶剂模型、OPLS4力场对结构进行了优化。
图注：VHL-BRD4体系中PROTAC对非极性蛋白互作界面稳定性及降解效果的影响
2. PROTAC的构象空间分析
为表征PROTAC的构象空间，并了解其生物活性构象与降解效率之间的关系，利用MacroModel的构象搜索对游离的PROTAC分子进行了构象采样。采用OPLS4力场（不含溶剂），结合距离依赖性静电处理，介电常数设置为4.0，模拟蛋白口袋环境。采用系统性扭转采样方法，对所有变量进行采样。最大步数设定为999,999，每个可旋转键采样1,000步。保存能量窗口100 kcal/mol范围内的结构，并以0.3 Å的RMSD阈值剔除冗余构象。
图注：弱蛋白 蛋白相互作用体系（VHL WDR5）下PROTAC的构象与能量特征分析
实用工具分享
MacroModel是一款基于力场的分子建模工具，具备多种高级功能与计算方法，可用于研究分子构象、分子运动及分子间相互作用。其通用性强，适用于有机分子、无机分子、低聚物、有机金属配合物以及复杂生物体系等各类研究对象。
该工具依托高质量力场与GB/SA隐式溶剂模型，实现可靠的能量计算。其构象搜索方法多样，可处理从小分子到完整蛋白的各类体系。支持灵活约束，可限定计算区域以提升速度。支持一键高效批量串行计算，自动对多个不同输入分子独立开展运算。可与分子力学、分子动力学、量子力学工具联用，提升构象分析与能量最小化的效率及精度。提供MM2、MM3、AMBER、AMBER94、MMFF、MMFFs、OPLS、OPLS_2005、OPLS4等多种力场，可支持广泛的研究场景。
总体而言，这项研究为PROTAC设计建立了一个可解释的预测性框架，并证明了分子动力学模拟在PROTAC优化中的实用价值。
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参考资料
1. Zhou, Yongqi, et al. "Integrative structural and computational analysis reveals potential design principles for efficient PROTAC degraders." Cell Reports Physical Science 7.7 (2026).
2. https://www.schrodinger.com/platform/products/macromodel/
