【变构原创系列】变构研究历史与药物设计

从代谢调控机制到分子信号转导，变构调节是发现生物大分子功能调控的最直接有效的方法。变构调节分子针对其变构位点与靶向活性位点的正构配体相比具有明显的优点，例如可激动性，高特异性和低毒性。因此，变构调节分子在新药的设计和开发中作为潜在的治疗药物正引起越来越多的关注。近年来，随着对变构调节基本原理的进一步认识，在变构作用领域强大的技术和方法获得了长足地发展，为检测变构蛋白、识别变构位点并设计开发新型有效的变构药物分子提供了前所未有的机遇。在本次文章里，我们尽量总结了变构领域历史渊源，重点阐述之前发现的变构分子机制。

什么是变构调节？

变构调节（Allosteric regulation），也称别构调节，是指调节分子通过结合到一个蛋白上的变构位点（空间上不同于蛋白底物功能位点）来调控蛋白的功能活性。细胞中蛋白的变构调节形式是多种多样的，包括结合相互作用（利用蛋白质，离子，脂质，小分子和DNA / RNA），共价修饰（磷酸化，乙酰化和交联(tethering)），光吸收，环境扰动（pH，温度，和离子强度）等。变构位点的扰动信号产生后，会触发相关原子波动，氨基酸残基网络或结构域运动，将信号传递到蛋白质功能位点区域，诱导其构象或者理化性质发生改变，从而改变蛋白质的功能。变构调节能精确控制细胞中的正常细胞进程（包括细胞信号转导，代谢，酶的催化，以及基因调控），是一种非常有效的机制。这种精细的蛋白内变构调节网络调控一旦发生功能障碍会导致一些人类疾病的发生，比如癌症，糖尿病，炎症以及阿尔兹海默病等。

变构效应现象最早发现于1901年的血红蛋白对于氧气结合的协同现象，随后在1910年定义了Hill coefficient（Archibald Vivian Hill，来自Hill方程）来定量该现象。1920年，Gilbert S. Adair发表了他关于血红蛋白氧合模型的一篇文章，修订Hill方程推出了Adair方程，这是一系列相关的方程（包括Klotz, Pauling, Koshland-Némethy-Filmer等）的模板，某种意义上我们可以把Hill方程看做是Adair方程的一种近似。随着分子生物学与生物化学的发展，变构分子机制由Monod,Changeux以及Jacob在1965年建立。我们先来回顾一下已经提出过的变构效应模型。

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Wyman-Monod-Changeux(MWC)模型及其扩展

  1965年，Monod、Wyman以及Changeux提出了变构效应的一个协调的对称模型，称为一致性状态的MWC模型，用来解释寡聚酶的协调机制。NWC模 型是基于以下的假设：1.调控蛋白是对称的同源寡聚体；2.多聚体蛋白亚基构象以协同的方式改变；3.配体缺失时寡聚体自发存在离散对称构象（R状态）， 配体结合后，原有构象中的每个亚基同时转换为另一种构象（T状态）。该模型最初用于解释细菌调节剂和血红蛋白的信号转导和协同属性，但现在已成功应用于阐 明变构膜受体和其他变构超分子组装的机制中，例如分子伴侣GroEL CheA和CheW。Henry，Bettati，Hofrichter以及Eaton在2002年又进一步引入了三级双态（TTS）模型，假设存在T和 R状态中的亚基又各自存在亲和力高（r）和低（t）构象之间的平衡，T状态中的低亲和力构象接近R状态中的高亲和力构象。该模型很好的解释了变构抑制剂对血红蛋白的氧亲和力的改变，也揭示了大部分T状态中的配体亚基与R状态中的配体亚基具有相似的功能构象的现象。

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Koshland-Nemethy-Filmer(KNF)模型

      1966年，Koshland、Nemethy和Filmer引入了一种序贯诱导契合变构转换机制，称为KNF模型，是基于配体结合后蛋白构象发生构象改变的实验得到的发现。KNF模型假定配体与多聚体蛋白质的一个亚基结合能够诱导该亚基的构象发生改变，从而重塑结合位点的构象以完全适应配体。在配体缺失的情况下，KNF模型中蛋白排除任何构象改变。KNF模型的提出也为后来药物设计中诱导契合（Induced fit）方法的提出提供了早期理论模板。

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群体流动(Population Shift)模型

    该理论扩展了MWC模型，并认识到蛋白群体在溶液中会存在着大量不同的构象，每个蛋白的构象和群体内构象分布是动态的，蛋白构象的相对群体将通过变构调节来改变。当变构调节分子进入溶液后，将选择与其最互补的蛋白构象群体中的变构位点来结合这些构象。随着变构调节分子与变构位点的结合，大量蛋白其他构象经历 了向可结合调节分子的构象群体流动，将构象状态重新分布到对变构调节分子有利的构象。

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Morpheein模型

    Jaffe在2005年引入了变构调节的Morpheein模型，该模型为同源寡聚体（morpheein形式）可以组装成两种或多种不同形式的蛋白机 器，不同组装形式之间的蛋白功能存在差异和动态转换平衡。变构调节分子可以结合一种多聚体组装形式并将相互转换平衡转移到其优选形式中。这个模型成功的解释了双胆素原合成酶的双重四级结构的变构调节新机制。

这些理论模型的提出提供了对变构效应的理解，而近20年来一些生物物理学方法的广泛应用（比如X射线晶体学，固态和弛豫扩散核磁共振（NMR）,H /D交换质谱，高通量筛选（HTS），膜片钳技术，电生理学技术为这些理论提供了大量实验证据。近年来，变构药物设计方法的发展推动体内的这种变构调节成 为药物作用的一种模式，为设计新型的高效低毒药物提供了前所未有的机遇，尤其是为以前无法获得的激动型药物设计提供了重要方法。可以预期在未来的10年中，变构药物尤其是变构激动剂将彻底改变药物市场中当前很多无法触及的疾病领域。

参考文献
1. LuS, Shen Q, ZhangJ*.Allosteric methods and their applications: facilitating the discovery ofallosteric drugs and the investigation of allosteric mechanisms. Acc Chem Res. 2019, 52(2):492-500.2. Lu S, Jang H, Muratcioglu S, Gursoy A, Keskin O, Nussinov R*, Zhang J*. Rasconformational ensembles, allostery and signaling. Chem Rev. 2016, 116(11): 6607-6665. 

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