Chem Sci | 张健课题组发展逆向变构新技术识别隐式变构位点

生物大分子上天然存在着一类不易发现的变构位点（Allosteric site, 是指正构位点（Orthosteric sites）以外调控蛋白功能的位点，也称别构位点），这些位点具有高度多样性，被结合后可诱导构象变化实现对蛋白功能进行上调或下调。变构位点通过诱导蛋白构象变化可产生激动效应，也可改善原本缺陷的位点形状，为解决众多难靶蛋白的先导化合物发现提供了契机。但变构位点当前主要来自于实验中的随机获得，缺乏对其本质理解和合理识别方法，严重阻碍了其在创新药物研发中的应用。

    上海交通大学医学院张健课题组一直致力于变构药物设计与研发，在国际上率先发展了变构药物设计系列方法，以解决新靶标识别和原创先导化合物发现的瓶颈问题，包括：临床样本精准识别肿瘤靶标的方法Allodriver，变构位点识别的方法Allosite，变构位点药物筛选的方法Allofinder等，获得了国际各大药厂和学术机构的广泛使用和推荐。然而，这些方法主要建立于已有晶体结构基础上，对于如何识别隐藏在蛋白动态构象变化中的变构位点识别仍未突破。2020年11月8日，张健课题组在英国皇家化学会旗舰期刊Chemical Science发表文章“Discovery of cryptic allosteric sites using reversed allosteric communication by a combined computational and experimental strategy”，揭示了蛋白大分子的正构位点与变构位点存在双向通讯，基于此发展了以正构位点配体分子为天然探针来识别隐式变构位点（cryptic/hidden allosteric site）的新方法，并应用于表观遗传去乙酰化酶SIRT6发现了其新型变构位点，为后续SIRT6的变构药物研发开辟了新的方向。

    之前的研究主要集中在通过评估已知晶体结构表面存在的各位点到正构位点的影响来判断其的变构特征，对于表面平坦的大多数蛋白难以有效发现变构位点。在本研究中，张健等利用蛋白正构位点的天然配体为探针，长时间诱导蛋白从正构位点“逆向”传导到潜在变构位点的构象变化，结合蛋白构象系综和马尔科夫链模型分析，建立潜在隐式变构位点的候选集合。进一步，他们提出“能量偶联打分”（Energy Coupling Score, ECS）方法评估各潜在位点与正构位点之间的的变构通信特征，最终筛选出对正构位点具有调控作用的隐式变构位点。

    利用这一方法，他们对组蛋白去乙酰化酶SIRT6进行了变构位点识别。首先，他们通过SIRT6的天然配体NAD为探针，从正构酶活位点出发诱导SIRT6蛋白的构象系综变化，产生了多个新的中间构象（Intermediate State）。基于这些中间构象，他们使用 “能量偶联打分”筛选潜在变构位点，主要考察SIRT6各潜在变构位点与正构酶活位点之间是否存在较强的变构能量传递信号。通过这一过程，他们不仅发现了此前他们报道的变构激动剂MDL-801位点（Nat Chem Biol, 2018），还发现了一个全新的隐式变构位点Pocket X。进一步的突变实验阐明了这一隐式位点对SIRT6去乙酰化酶活的负向变构调控作用，证实了该方法的有效性。

    该研究创建了针对蛋白中难以捕捉的隐式变构位点识别方法，它不仅阐明了蛋白正构位点和变构位点之间具有双向交互调控的机制特征，也克服了蛋白在结构生物学单一结构中缺乏显式位点难以靶向的缺陷，为难靶蛋白的原创药物设计与研发开辟新的道路。

    本研究工作的通讯作者为上海交通大学医学院陆绍永教授和张健教授，第一作者为上海交通大学医学院生物医学科学2015级本科生（现悉尼大学2019级直博生）倪端，医学院2018级硕士生魏嘉呈，生物医学科学专业2016级本科生（现中科院上海药物所2020级直博生）何欣恒。该研究受到国家自然基金重大研究计划、科技部重大专项、重大新药创制项目、国家杰出青年基金、面上项目等多个项目的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1039/D0SC05131D

张健课题组常年招收药物化学、化学生物学、生物信息学、药理学等相关学科博士后加盟，为原创药物设计与研发共同贡献力量，同时欢迎各大高校本科生及研究生报考张健课题组。

张健，上海交通大学特聘教授，药物化学与生物信息学中心主任，国务院学位委员会学科评议组成员，国家杰出青年基金、国家万人计划、长江学者奖励计划青年学者获得者。2002年毕业于北京大学药学院，获药学学士学位，北京大学优秀毕业生，免推至中国科学院上海药物研究所，2007年获药学博士学位，全国优秀博士论文。2009年回国受聘于上海交通大学医学院至今。张健教授主要从事药物设计、药物化学和化学生物学研究，特别是精准靶标识别和First-in-class原创药物先导发现等方向做出了一系列突破性成果。以通讯作者在包括Nat Chem Biol, Sci Adv, Am J Hum Genet, Nucleic Acids Res, Chem Sci等国际学术杂志上发表SCI论文100余篇。他引超过5000次，H因子为44，第一发明人申请国内外专利13项(已授权6项)。受邀以通讯作者在国际顶尖综述杂志Chem Rev、Chem Soc Rev、Acc Chem Res撰写变构药物机制与发现综述；受Springer-Nature出版社邀请作为主编撰写国际首本变构药物发现专著Protein Allostery in Drug Discovery；常年担任Science、Nat Chem等70余种SCI期刊审稿人，澳大利亚Austrian Science Fund (FWF)等基金和西班牙University of Barcelona等学校Tenure考核的国际评审人。先后获美国化学会Excellent Research Advisor、中国药学会生物医药创新奖、2017年中国十大科技新锐人物、Roche Creative Chemistry Award和药明康德生命化学研究奖等荣誉，主持国家自然科学基金委重大项目、国家重大新药创制等项目。