Dr. X | 高选择性激酶抑制剂药物发现与分子动力学模拟
日前，以分子动力学模拟见长的药物发现公司 Relay Therapeutics 披露了其口服 FGFR2 选择性小分子抑制剂 RLY-4008 在胆管癌治疗上积极的中期数据，同时宣布了三项用于乳腺癌治疗的创新项目，包括高选择性 CDK2 抑制剂、理性设计的 ERα 降解剂和化学结构新颖的 PI3Kα 抑制剂。
Relay Therapeutics 得益于其专利性 Dynamo 分子模拟平台，对靶点蛋白运动及其与蛋白功能建立深入洞察，有效加速了高选择性药物设计。那么，分子动力学模拟能在高选择性抑制剂药物开发提供怎样的解决思路，是如何发挥作用的？本期将从这个问题出发，分享 Dr. X 的经验与见解。
结构差异
——开发高选择性抑制剂的关键
开发具有亚型高选择性的小分子抑制剂是当前的药物研发热点，而捕获亚型蛋白结构差异是合理开发亚型高选择性抑制剂的设计基础。所谓结构性差异，首先是以氨基酸序列为基础的蛋白三维结构差异即静态结构差异，针对差异化的氨基酸残基开发的亚型高选择性抑制剂相对简单也较为常见。同样以 FGFR 家族为例，FGFR4 高选择性抑制剂 Fisogatinib BLU-554 的发现是通过对 ATP 激酶域深入研究，发现 FGFR4 的第 552 位氨基酸不同于其他家族蛋白，于是针对此处的半胱氨酸引入亲电弹头与 FGFR4 形成共价结合，与其余 3 种亚型无共价，以实现高选择性。
相较于前面提到的氨基酸序列差异的静态结构差异，另一种结构差异是靶点蛋白质结合口袋附近氨基酸序列相同但存在构象动力学差异。优异的分子动力学模拟技术的价值在 Relay therapeutics 靶向 FGFR2 的 RLY-4008 的研发中得以体现。目前已获批和所有在研的 FGFR 抑制剂都不具备 FGFR2 亚型选择性，一个重要原因在于 FGFR1、2 静态结构的高度相似性。Relay therapeutics 通过长时间的分子动力学模拟观察到了 FGFR1、2 的构象动力学差异：两个亚型都存在一个可以上下开合的区域，但是运动频率上 FGFR1 明显高于 FGFR2 。基于这种动态结构差异模拟出可令小分子稳定存在的结合口袋，并最终得到了候选化合物。测试结果显示了其高度选择性：抑制 FGFR2 时具有纳摩尔级的效力，并表现出比 FGFR1 高 300 倍以上的选择性，比 FGFR3 和 FGFR4 分别高出 80 倍和 5000 倍以上的选择性。
图片来自Relay Therapeutics官网
可见先进的分子动力学模拟技术能在预测靶点蛋白最佳结合构象、靶点-配体的柔性对接、捕捉靶点动态构象的细微差别发挥了重要作用。其中对体系构象空间的采样是动力学模拟中重要组成部分，与药物研发项目最直观和密切的关联，可总结在下表中：
构象采样在高选择性药物研发
中解决的关键问题
● 靶点-配体的精确结合模式
晶泰科技构建了基于 Cryo-EM 实验测试、综合 AI 和分子模拟技术的增强采样技术，提供了靶标构象动态学研究的综合解决方案，对高选择性激酶抑制剂类药物发现的多个难点逐个进行攻克并赋能差异化设计。
晶泰科技高选择性激酶抑制剂类药物设计解决方案概览
动力学模拟对 FGFR2/3 亚型
区分的思考
FGFR2 与 FGFR3 两个亚型口袋附近的氨基酸残基完全一致，并且 PDB 库里公开的晶体结构无明显差距，因此寻找动态过程的区别成选择性抑制剂唯一突破口。通过晶泰科技研发的 AI 和分子模拟的增强采样技术，对具有一定选择性的探针分子进行解离过程的模拟，我们观察到该探针分子在 FGFR2 与 FGFR3 中解离时表现出不同的行为过程。在解离过程中，该探针分子在 FGFR2 上的活化能低约 3kcal/mol，而两者解离能相差较小。更重要的是，两者解离过程所接触的残基有较大区别。改进探针分子，改变解离过程中的蛋白-配体相互作用，达到增大两者能垒差距的目的，是设计高选择性的 FGFR2 或者 FGFR3 抑制剂的新突破口。因此，晶泰科技内部开发的 AI 和分子模拟的增强采样技术可以利用存在构象动力学差异的靶点开发亚型选择性抑制剂研发提供强力支持。
下一期我们将关注针对激酶类靶点的另一种药物设计策略——变构抑制剂开发的难点和可行方案进行深入探讨，欢迎持续关注。