Scientific Reports：通过分子对接与动力学模拟发现新型SND1抑制剂用于肝细胞癌治疗
2025-08-23 熊佳仪 MedSci原创 发表于上海
本研究通过多层次计算生物学手段，首次发现并验证了TOP2作为高亲和力、高稳定性的SND1抑制剂候选化合物。
肝细胞癌作为全球第三大癌症致死原因，其发生发展与表观遗传调控异常密切相关，其中精氨酸甲基化修饰及其识别蛋白在肿瘤发生中扮演关键角色。蛋白精氨酸甲基转移酶5（PRMT5）催化生成的对称二甲基精氨酸（SDMA）标记可被含葡萄球菌核酸酶结构域蛋白1（SND1）识别，进而驱动肝细胞癌的进展。近期研究表明，SND1在肝细胞癌中显著高表达，且其过表达与患者不良预后密切相关，尤其其Tudor结构域和α-螺旋连接区作为识别SDMA标记的活性位点，成为极具潜力的治疗靶点。然而，目前尚未有特异性靶向SND1的抑制剂问世，这限制了针对该通路的治疗策略开发。
本研究通过整合生物信息学分析、计算机虚拟筛选、分子对接、分子动力学模拟以及药代动力学评价，首次系统性地从ASINEX化合物库中筛选出具有高亲和力和特异性的SND1小分子抑制剂，旨在为肝细胞癌提供新的治疗方向。
研究首先利用基因集癌症分析（GSCA）数据库验证了SND1在肝细胞癌中的表达及临床意义。分析结果显示，SND1在肝细胞癌中存在1.5%的体细胞突变频率，其mRNA表达水平在肿瘤组织中显著上调，尤其在III期肝癌和纤维板层型肝细胞癌中表达最高。生存分析进一步表明，SND1高表达患者的总生存期显著缩短，在III级肿瘤患者中尤为明显，提示SND1可作为肝细胞癌预后不良的生物标志物和潜在治疗靶点。
图1 研究工作图形摘要
在此基础上，研究选取SND1蛋白晶体结构（PDB ID: 3OMC）为受体，以其天然配体SDMA为参照，对ASINEX数据库中的91001个化合物进行虚拟筛选。通过AutoDock Vina进行分子对接，依据对接评分和与活性位点的相互作用模式，筛选出前15个潜在抑制剂，其中TOP1（[4-(5,6,7,8-四氢-4H-环庚[c][1,2]恶唑-3-基)哌啶-1-基]-[4-(三氟甲基)苯基]甲酮）和TOP2（1-[2-羟基-2-(1-甲基磺酰基-3,4-二氢-2H-喹啉-6-基)乙基]-4-(4-甲基苯基)哌啶-4-醇）表现出最优对接得分（分别为-10.4和-10.3 kcal/mol），显著优于参照化合物SDMA（-4.6 kcal/mol）。分子相互作用分析显示，TOP1和TOP2均能与SND1活性位点关键残基（如Phe686、Tyr746、Tyr766、Asn823等）形成稳定的氢键、卤键和疏水相互作用，其中TOP2的氟原子与Asn768形成强卤键，进一步增强了结合稳定性。
图2 SND1在HCC中的蛋白互作与表达
图3 3OMC晶体结构及配体对接模式
图4 分子动力学模拟中的RMSD与RMSF图
在药代动力学与毒性评价方面，TOP1和TOP2均符合Lipinski五规则，分子量小于500 Da，logP值低于5，极性表面积小于140 Ų，表现出良好的类药性和口服生物利用度。胃肠道吸收预测为高，且对细胞色素P450酶系抑制活性较低，药物相互作用风险小。
图5 Rg与SASA分析图
图6 氢键相互作用分析
毒性预测显示，TOP1和TOP2均无肝毒性、免疫毒性、致突变性和细胞毒性，TOP2的半数致死剂量（LD₅₀）为2600 mg/kg，远高于TOP1的180 mg/kg，安全性更优。此外，TOP2还表现出对丙型肝炎病毒、人类免疫缺陷病毒和β冠状病毒等的潜在抗病毒活性，以及抗神经退行性疾病相关活性，拓宽了其应用前景。
图7 蛋白-配体相互作用动态演变
为进一步验证结合稳定性与动态行为，研究对SND1-APO、SND1-TOP1、SND1-TOP2及SND1-STD复合物进行了300 ns的分子动力学模拟。均方根偏差（RMSD）分析表明，所有复合物在模拟过程中均保持稳定，SND1-TOP2复合物在100 ns后达到平衡状态，波动最小（0.35 ± 0.04 nm），优于SND1-TOP1（0.41 ± 0.07 nm）。
图8 二级结构演变分析
均方根波动（RMSF）显示，TOP2结合后蛋白残基柔性变化较小，关键催化残基（如Asn768、Tyr766等）涨落低于0.1 nm，而TOP1在710–718残基区（α-螺旋连接区）引起较高波动，提示可能影响局部构象。回转半径（Rg）和溶剂可及表面积（SASA）分析进一步证实TOP2复合物结构紧凑性更好，与APO状态最为接近。
图9 主成分分析二维投影
氢键分析显示，SND1-TOP2复合物在模拟过程中形成更多稳定的分子间氢键（最大数为4），关键残基Thr688、Gln792、Asn823和Tyr766贡献较高氢键占据率，而TOP1的氢键数量和稳定性较差。
图10 自由能景观三维与二维图
结合自由能计算（MMPBSA）表明，SND1-TOP2在各个时间区间（150–200 ns、200–250 ns、250–300 ns）的平均结合自由能（ΔGbind）为-91.365 kJ/mol，优于SND1-TOP1（-95.27 kJ/mol）和SND1-STD（-12.37 kJ/mol）。范德华相互作用和静电相互作用是主要驱动力，其中TOP2的范德华能贡献最高（-189.589 kJ/mol）。残基能量分解分析揭示，Phe740、Asp742、Tyr746和Gln825等关键活性残基在TOP2结合中贡献更大的负结合能，进一步证实其结合优越性。
图11 残基结合能分解图
蛋白-配体相互作用动态分析显示，TOP2在整个模拟过程中始终与Tudor结构域和α-螺旋区保持稳定相互作用，而TOP1在300 ns时发生位移，部分脱离初始结合位点。二级结构分析（DSSP）和空腔体积测量表明，TOP2结合未引起活性位点显著构象变化，空腔体积（126.74 ų）与APO状态（90.30 ų）最为接近，而TOP1结合导致空腔扩大（189.60 ų），可能影响结合特异性。主成分分析（PCA）和自由能景观（FEL）显示，SND1-TOP2复合物在构象空间中分布集中，自由能最低区域（蓝色）范围更广，表明其构象稳定性更高。
本研究通过多层次计算生物学手段，首次发现并验证了TOP2作为高亲和力、高稳定性的SND1抑制剂候选化合物。其不仅具有优异的结合特性与动态稳定性，还具备良好的药代动力学 profile 和安全性，有望成为治疗肝细胞癌的首个靶向SND1的先导化合物。后续实验验证与优化将进一步推动其向临床转化，为肝细胞癌患者提供新的治疗策略。
原始出处：
Ravikumar, Y., Razack, S.A., Sivashankar, S. et al. Discovery of novel SND1 inhibitors by in silico-based molecular docking and dynamics simulation methods for managing hepatocellular carcinoma. Sci Rep 15, 30701 (2025). https://doi.org/10.1038/s41598-025-14878-0
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