구조 기반 신약 개발에서 Binding site 탐색과 정의 방법

구조 기반 신약 개발 (Structure-Based Drug Design, SBDD) 개요

구조 기반 신약 개발 정의

구조 기반 신약 개발(Structure-Based Drug Design, SBDD) 이란 약물 발견, 개발 과정에서 특정 생물학적 표적의 3차원 구조를 사용하는 방법입니다 신약을 보다 빠르고 효율적으로 개발하는데 SBDD는 중요한 역할을 합니다. 암, 감염병, 신경계 질환 등 다양한 질병의 치료제 개발에 SBDD가 널리 사용되고 있습니다.

구조 기반 신약개발 기본 프로세스

구조 기반 신약 개발(Structure-Based Drug Design, SBDD)을 위해서는 우선 다음과 같은 준비가 필요합니다.

1. 표적 단백질의 3차원 구조 선택

2. 화합물 라이브러리 준비

표적 단백질의 3차원 구조는 일반적으로 RCSB에서 찾을 수 있습니다. 단백질 구조를 선택하는 과정에서 가장 눈여겨봐야 할 것은 Binding site (또는 Binding pocket)입니다. 구조 기반 신약 개발(SBDD)은 Docking을 통해 표적 단백질과 화합물의 3차원 결합 구조를 예측하는데, 이 때 약물이 결합하는 단백질의 위치를 Binding site라 합니다. Binding site의 정의는 구조 기반 신약개발 (SBDD)의 연구 성과를 결정짓는 핵심 과정인 만큼 자세히 다루도록 하겠습니다.

구조 기반 신약 개발에서 Binding site 정의하기 

Binding site를 정의할 때는 먼저 개발하고자 하는 약물의 작용기전(Mechanism Of Action, MOA)을 명확히 해야 합니다. 약물의 작용기전에 따라 같은 표적 단백질이더라도 Binding site의 위치, 구조, 구성 등의 선택을 달리하게 됩니다. 다양한 상황 예시를 통해 Binding site 를 어떻게 정의하면 좋을지 이야기 해 보겠습니다.

Binding site 위치 선택

하나의 단백질은 2개 이상의 Binding site를 가질 수 있습니다. 예를 들어 Kinase의 경우 Competitive inhibitor 개발을 위한 ATP Binding site가 가장 널리 사용되고 있지만 이 외에도 신약개발의 표적이 될 수 있는 다양한 Allosteric site가 존재하는 것으로 알려져 있습니다. 아래 그림은 알려져 있는 Kinase의 allosteric site들을 보여주고 있습니다.

AI 신약 개발 플랫폼 하이퍼 랩은 사용자가 선택한 단백질 구조(PDB file)에 리간드가 포함되어 있을 경우 자동으로 리간드를 선택하고 이 리간드 주변을 Binding site로 정의해주고 있습니다. 하지만 그 리간드가 사용자가 의도했던 Binding site가 아닌 다른 위치에 결합해 있다면 원하는 결과를 얻을 수 없습니다. 따라서 하나의 표적 단백질을 선택했다 하더라도 계획했던 MOA에 적합한 Binding site가 어디인지 확인하고, 가능하다면 그 Binding site에 약물이 결합한 구조를 찾아야 합니다.

Binding site 구조 선택

X-ray나 Cryo-EM 등 실험에 의해 결정된 구조에서 단백질은 고정된 3차원 구조 같아 보입니다. 하지만 단백질은 생체 내에서 끈임 없이 움직이는 유동적인 구조이며 cofactor, substrate, inhibitor 등의 결합에 의해 크고 작은 변화가 발생하게 됩니다. 아래 그림은 MD (Molecular Dynamics)로 예측한 단백질의 움직입니다. SBDD 관점에서 봤을 때 이는 단백질 구조 선택의 문제로 이어집니다.

단백질의 기능과 활성은 그 구조에 의해 결정됩니다. 쉽게 말하자면 단백질의 구조에 따라 receptor, enzyme, transporter와 같은 기능이 결정되고 이러한 각 단백질의 고유 구조는 아미노산 서열에 의해 결정 됩니다. 또한 단백질은 substrate나 약물 등의 결합이나 phosphorylation, methylation 등의 modification 등에 의해 구조적 변화를 겪게 되고 이는 단백질 활성 변화로 이어집니다.

아래 그림은 nuclear receptor(NR)의 동일한 binding site에 agonist, antagonist, inverse antagonist가 결합했을 때의 nuclear receptor의 구조(특히 H12)와 활성 변화를 각각 보여주고 있습니다.

(왼쪽)  Agonist가 결합했을 때는 H12가 안정적인 active position을 이루어 transcriptional coactivator들과 상호작용 할 수 있도록 합니다.

(중앙)  Antagonist의 경우 active postion의 H12가 위치하는 공간을 차지하여 H12가 이러한 active position을 이루는 것을 방해합니다.

(오른쪽)  마지막으로 inverse agonist는 corepressor(CoR)와의 상호작용을 안정화 시켜 NR의 활성을 저해합니다.

직관적으로 봤을 때 agonsit를 개발하고자 한다면 active form의 구조를 사용해야 합니다. Antagonist가 결합한 구조를 사용한다면 엉뚱하게 활성이 오히려 낮아지는 결과를 얻게 될 가능성이 높습니다.

위에서 보인 바와 같이 단백질의 구조는 약물이 결합하지 않은 구조와 결합한 구조가 다를 수 있습니다. 같은 유형의 약물, 예를 들어 inhibitor라면 이들이 결합한 표적 단백질의 구조는 같을까요?

이는 단백질의 구조적 특징(flexibility)에 따라 다르겠지만 일반적으로 inhibitor의 구조가 달라지면 작게는 side chain, 크게는 backbone의 구조적 변화가 있을 수 있습니다. 아래 그림에서는

(위쪽) androgen receptor와 ricin에서 구조가 다른 리간드가 결합했을 때와

(아래쪽)  결합하지 않았을 때의 side chain의 구조적 차이를 보이고 있습니다.

대부분의 side chain은 비슷한 형태(conformation)을 가지지만 일부, 특히 flexible한 Met와 같은, 아미노산의 side chain은 형태가 크게 달라질 수 있고 이는 단백질과 약물의 결합 구조를 예측하는데 매우 중요한 변수가 될 수 있습니다. 따라서 SBDD 연구를 하실 때는 최대한 많은 표적 단백질의 구조를 살펴보고 구조적 유동성을 파악할 필요가 있습니다.

참고로 PDB 파일에는 Alternative Conformation이 존재합니다. 앞에서 말씀드린 바와 같이 단백질은 dynamic한 구조이다 보니 움직임이 큰 side chain의 경우 PDB에 2가지 이상의 구조 정보가 있는 경우가 있습니다. 움직임이 크다 보니 잘못된 Conformation을 고르면 올바른 단백질-약물 결합 구조를 얻는데 장애물로 작용 할 수 있습니다. AI 신약 개발 플랫폼 하이퍼랩에서는 존재 확률이 가장 높은 Conformation을 자동으로 선택해 줍니다.

Binding site 구성 선택

일반적인 Competitive inhibitor들의 경우 Binding site는 약물과 상호작용하는 표적 단백질의 아미노산들로 정의 할 수 있습니다. 하지만 약물이 아미노산 이외의 구성 요소와 상호작용을 이룬다면 이를 적절히 표현하기 위한 전략이 필요합니다.

Cofactor와 상호작용하는 경우에는 약물의 활성에 Cofactor의 존재 유무가 영향을 주게 되고 이를 Docking 과정에서 적절히 반영해 줘야 합니다. 예를 들어 아래 그림을 통해 살펴보겠습니다.

(첫번째 그림)  inhibitor인 EPZ015666은 coenzyme인 SAM과 pi-cation interaction을 이루고 있습니다.

(두번째 그림)  inhibitor인 DDK-137이 ZN 이온과의 coordination을 이루는 것을 볼 수 있습니다.

이 경우 이 cofactor들을 Binding site의 일부분으로 선택해야 올바른 결과를 얻을 수 있습니다. AI 신약개발 플랫폼 하이퍼랩에서는 Binding site 정의 과정에서Cofactor들을 Receptor의 일부분으로 선택함으로써 이를 해결할 수 있습니다.

일부 inhibitor는 수소 결합이나 van der Waals 등의 non-bonding interaction 외에 특별한 상호작용을 이루는 경우가 있습니다. Binding site의 Ser나 Cys등의 residue와 공유 결합을 이루는 covalent inhibitor나 Zn, Fe 등의 금속과 coordination을 이루는 inhibitor가 대표적입니다. 이런 특별한 상호작용의 경우 이를 적절히 반영해 줄 수 있는 docking 방법을 적용해 줘야 합니다.

마무리

오늘 글에서는 구조 기반 신약개발(Structure-Based Drug Design, SBDD)의 정의, 기본 프로세스에 대해 알아보았습니다. 구조기반 신약개발은 단백질의 3차원 구조를 이해하고, 이를 기반으로 효과적인 약물 후보를 설계하는 과정입니다. 이러한 방식은 특정 질병에 관여하는 표적 단백질의 구조, 기능을 정밀하게 분석함으로써 보다 정확하고 효과적인 치료제 개발을 가능하게 합니다. SBDD에서 중요한 역할을 차지하는 Binding site에 대해서도 다양한 상황 예시를 통해 살펴보았으니, 이해의 폭을 넓히는데 모쪼록 도움이 되었길 바랍니다.