【原创】共价类变构调节剂的设计与发现

我们前面介绍由于变构位点的独特性，变构调节剂具有选择性高、剂量天花板保护效应及可双向调控的优点。但与传统作用于靶标功能位点(底物位点)的药物分子相比，变构调节剂与其变构位点的结合能力总是低1-2个数量级(根据变构数据中心ASD  http://mdl.shsmu.edu.cn/ASD统计)，这可能是因为变构位点组成残基以疏水基团居多，缺乏可以显著提高活性的氢键基团[1]。因此，如何改善变构调节剂在变构位点的结合效能成为变构药物开发中的一个新的挑战。今天给大家介绍一种在多个体系中获得成功的方法，即设计共价变构调节剂。共价变构调节剂不仅具有共价配体长效高亲和的药理学特征，而且还兼备变构调节剂的高特异性和更低毒性的附加优点。因此，共价变构调节剂在变构药物设计中已经成为一种超常规武器。

下面让我们看一下药物化学家们的设计艺术。

1.    K-Ras4B^G12C GTP酶共价变构抑制剂

K-Ras4B^G12C是早期进行共价变构调节剂设计的典型案例。K-Ras4B^G12C突变是Ras相关癌症中三种最常见的Ras突变体之一，其在接近switch I和II的P环(S-IIP)上发生了G到C的突变。由于K-Ras4B^G12C对GTP底物的极高亲和力及在S-IIP区域位点表浅，在近30年内都无法找到结合到S-IIP区域的常规非共价变构抑制剂进入临床研究。在Ostrem [2]和Patricelli[3]等人的不断努力下，利用可以形成不可逆共价的“弹头”(如vinylsulfonamide, acrylamide等基团)去尝试设计可结合C12的共价变构抑制剂，并最终获得了ARS-853。ARS-853的IC ₅₀显示其对K-Ras4B ^G12C 的亲和力显著提高，并对可以有效抑制K-Ras4B ^G12C细胞系的下游信号传导（包括c-Raf，ERK和Akt）。这些结果首次提示对K-Ras4B ^G12C的变构S-IIP位点进行共价化合物设计可以克服变构调节剂亲和力不足的弱点。

2.    MCL-1共价变构抑制剂

Myeloid cell leukemia1 (MCL-1) 是BCL-2蛋白家族中的抗凋亡成员。通过阻断MCL-1的BH3区域和BCL-2 BH3结构域结合是常规抑制MCL-1功能的药物设计策略，这一位点也随之成为抗肿瘤药物开发的重要靶点。Lee等人从变构药物设计策略出发，在MCL-1的BH3区域对面的α6螺旋附近一处表浅的变构位点设计了可共价结合Cys286的萘醌类共价变构抑制剂MAIM1，这一位点紧密结合化合物后也可有效抑制MCL-1活性，为靶向抑制MCL-1的抗凋亡肿瘤治疗提供了潜在的新途径和药物先导化合物[4]。

3.    Akt1共价变构抑制剂

丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶B，即Akt是参与PI3K信号通路的关键调节因子，它是癌症中最常激活的增殖通路之一。由于人类激酶极其保守的ATP底物结合位点，Akt竞争性抑制剂设计一直无法摆脱选择性差的难题，变构设计是实现提高抑制剂选择性或降低毒性的优先选择。位于Akt1的PH结构域和激酶结构域的N-和C-lobes界面处可以形成一处表浅的变构位点，位点中具有Cys296和Cys310两个残基，为共价变构抑制剂设计提供了框架。最终Weisner等人从VIII中改造获得了Compound 5，不仅在100种不同蛋白激酶中具有很好的选择性，而且与Akt1的结合亲和力高达0.2 ± 0.1 nM，甚至更优于底物竞争性抑制剂的亲和活性[5]。

4.    CB1R共价变构抑制剂

作为A型GPCR大麻素1受体（CB1R）主要在脑中表达，参与多种生理过程，包括学习，记忆，情绪和心血管调节。CB1R的失活与神经退行性疾病，多发性硬化和结直肠肿瘤密切相关。由于CB1R的功能位点的高度保守型，作用于功能位点的抑制剂存在许多副作用，如抑郁和焦虑。Kulkarni等人在Org27569的C5位氯原子更换为异硫氰酸酯反应性基团，得到化合物6可以共价结合到CB1R的非功能性位点，其选择性提高到83倍之多，并具有更好的活性，与功能位点开发的抑制剂相比具有更大优势[6]。

 结束语

共价变构调节剂具有共价配体和变构调节剂的双重药理学优点，包括生化效率和特异性的增加，作用时间延长和毒性降低，缓解治疗诱导的耐药性的出现，以及针对难以处理的靶标的“浅”绑定位点，但共价变构调节剂的设计是非常具有挑战性的。首先具有非保守的亲核残基如半胱氨酸附近的变构位点识别是先决条件，其次过度活跃的反应基团可能导致药物引起的毒性，需要更敏感的分析技术来检测药物及其代谢物的潜在风险。总之，我们期望对蛋白变构调节机制的全面阐明，可以与来自共价药物的生物化学和临床数据相结合，为设计共价变构调节剂提供有价值的途径，这是药物设计未来发展的趋势所在。

参考文献

1.    Li X,Chen Y, Lu S, Huang Z, Liu X, Wang Q, Shi T, Zhang J. (2013) Towards anunderstanding of the sequence and structural basis of allosteric proteins. J Mol Graph Model. 2013, 40: 30-39.

2.  Ostrem,J.M. et al. (2013) K-Ras(G12C) inhibitors allosterically control GTP affinityand effector interactions. Nature503, 548–551

3.  Patricelli,M.P. et al. (2016) Selective inhibition of oncogenic KRAS output with smallmolecules targeting the inactive state. CancerDiscov. 6, 316–329

4.  Lee, S.et al. (2016) Allosteric inhibition of antiapoptotic MCL-1. Nat. Struct. Mol. Biol.23, 600–607

5.  Weisner,J. et al. (2015) Covalent-allosteric kinase inhibitors. Angew. Chem. Int. Ed.Engl. 54, 10313–10316

6.  Kulkarni,P.M. et al. (2016) Novel electrophilic and photoaffinity covalent probes formapping the cannabinoid 1 receptor allosteric site(s). J. Med. Chem. 59, 44–60

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