Although the thermodynamic principles that control the binding of drug molecules to their protein targets are well understood, detailed experimental characterization of the process by which such binding occurs has proven challenging. We conducted relatively long, unguided molecular dynamics simulations in which a ligand (the cancer drug dasatinib or the kinase inhibitor PP1) was initially placed at a random location within a box that also contained a protein (Src kinase) to which that ligand was known to bind. In several of these simulations, the ligand correctly identified its target binding site, forming a complex virtually identical to the crystallographically determined bound structure. The simulated trajectories provide a continuous, atomic-level view of the entire binding process, revealing persistent and noteworthy intermediate conformations and shedding light on the role of water molecules. The technique we employed, which does not assume any prior knowledge of the binding site's location, may prove particularly useful in the development of allosteric inhibitors that target previously undiscovered binding sites.

The mutation and overexpression of the epidermal growth factor receptor (EGFR) are associated with the development of a variety of cancers, making this prototypical dimerization-activated receptor tyrosine kinase a prominent target of cancer drugs. Using long-timescale molecular dynamics simulations, we find that the N lobe dimerization interface of the wild-type EGFR kinase domain is intrinsically disordered and that it becomes ordered only upon dimerization. Our simulations suggest, moreover, that some cancer-linked mutations distal to the dimerization interface, particularly the widespread L834R mutation (also referred to as L858R), facilitate EGFR dimerization by suppressing this local disorder. Corroborating these findings, our biophysical experiments and kinase enzymatic assays indicate that the L834R mutation causes abnormally high activity primarily by promoting EGFR dimerization rather than by allowing activation without dimerization. We also find that phosphorylation of EGFR kinase domain at Tyr845 may suppress the intrinsic disorder, suggesting a molecular mechanism for autonomous EGFR signaling.

Abstract Protein-protein interactions (PPIs) are ubiquitous biomolecular processes that are central to virtually all aspects of cellular function. Identifying small molecules that modulate specific disease-related PPIs is a strategy with enormous promise for drug discovery. The design of drugs to disrupt PPIs is challenging, however, because many potential drug-binding sites at PPI interfaces are “cryptic”: When unoccupied by a ligand, cryptic sites are often flat and featureless, and thus not readily recognizable in crystal structures, with the geometric and chemical characteristics of typical small-molecule binding sites only emerging upon ligand binding. The rational design of small molecules to inhibit specific PPIs would benefit from a better understanding of how such molecules bind at PPI interfaces. To this end, we have conducted unbiased, all-atom MD simulations of the binding of four small-molecule inhibitors (SP4206 and three SP4206 analogs) to interleukin 2 (IL2)—which performs its function by forming a PPI with its receptor—without incorporating any prior structural information about the ligands’ binding. In multiple binding events, a small molecule settled into a stable binding pose at the PPI interface of IL2, resulting in a protein–small-molecule binding site and pose virtually identical to that observed in an existing crystal structure of the IL2-SP4206 complex. Binding of the small molecule stabilized the IL2 binding groove, which when the small molecule was not bound emerged only transiently and incompletely. Moreover, free energy perturbation (FEP) calculations successfully distinguished between the native and non-native IL2–small-molecule binding poses found in the simulations, suggesting that binding simulations in combination with FEP may provide an effective tool for identifying cryptic binding sites and determining the binding poses of small molecules designed to disrupt PPI interfaces by binding to such sites.