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嘉峪檢測網(wǎng) 2022-09-20 11:23
在靶向激酶的抗腫瘤藥物研發(fā)領(lǐng)域中,變構(gòu)調(diào)節(jié)劑的開發(fā)格外引人關(guān)注。根據(jù)作用方式和結(jié)合位置可將激酶抑制劑分成 6 大類型,III型和 IV 型均通過非底物結(jié)合位點對激酶活性發(fā)揮調(diào)控作用,即變構(gòu)調(diào)節(jié)。除了更易于成就高選擇性外,激酶變構(gòu)抑制劑開發(fā)還在如下方面具有優(yōu)勢:
靶點蛋白具有正常生理功能,正構(gòu)抑制的策略不適用(如離子通道)
靶點正構(gòu)位點存在天然底物,較高的給藥劑量給用藥安全帶來挑戰(zhàn)
克服正構(gòu)結(jié)合口袋內(nèi)氨基酸突變造成的耐藥問題,且實現(xiàn)突破瘤種限制
01變構(gòu)激酶抑制劑開發(fā)難點
變構(gòu)類藥物研究實質(zhì)上是對正構(gòu)結(jié)合位點—變構(gòu)結(jié)合位點—兩者間動態(tài)信息傳播機制三者構(gòu)成的系統(tǒng)的研究,設(shè)計中存在諸多挑戰(zhàn)巨大的環(huán)節(jié):
1.Hits 發(fā)現(xiàn)與優(yōu)化的困難
早期的變構(gòu)抑制劑均發(fā)現(xiàn)于偶然,如靶向 MEK,Akt 以及 Bcr-Abl 的變構(gòu)抑制劑最初均來源于基于生化指標或細胞表型的高通量篩選,同時變構(gòu)抑制劑 Hits 分子蛋白活性往往較差,對于高通量篩選的靈敏度有較高要求,整體開發(fā)效率低;變構(gòu)口袋以及小分子的結(jié)合模式獲取困難,難以通過基于結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計指導分子優(yōu)化。同時,已報道的變構(gòu)抑制劑數(shù)量少,基于配體的藥效團模型等亦難以發(fā)揮作用。且變構(gòu)抑制劑發(fā)揮作用依賴于對靶蛋白構(gòu)象的改變,小分子對變構(gòu)口袋親和力的增加無法與其活性直接對應(yīng),對其活性優(yōu)化提出巨大挑戰(zhàn)。
2.活性評估困難
變構(gòu)劑發(fā)揮作用依賴于對靶點蛋白構(gòu)象的改變,小分子對變構(gòu)口袋親和力的增加無法與其生物活性相對應(yīng)。因此變構(gòu)抑制劑的活性評估難以通過底物競爭性實驗準確評估,更多需要結(jié)合表型篩選。
3.“合適”變構(gòu)口袋的發(fā)現(xiàn)困難
一些變構(gòu)口袋雖然能夠引起蛋白的結(jié)構(gòu)改變,或是干擾與靶蛋白相關(guān)的蛋白-蛋白(或肽/配體)相互作用,但對其本身激酶催化功能影響甚微,針對這些變構(gòu)位點開發(fā)抑制劑或許難以完全抑制激酶信號通路,從而影響其藥效。
02針對變構(gòu)劑開發(fā)的應(yīng)對策略
1.應(yīng)對Hits發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化的挑戰(zhàn)
高通量篩選中使用高濃度 ATP 篩選條件剔除 ATP 依賴型競爭性抑制劑,富集潛在的變構(gòu)抑制劑
使用篩選通量更大的 DNA 編碼化合物庫(DEL)應(yīng)用于變構(gòu)抑制劑的篩選
使用表面等離子共振(SPR)和親和選擇質(zhì)譜(ASMS)等生物物理方法
基于片段的篩選(FBDD)與 SPR、NMR 或 X- 射線晶體等手段相結(jié)合
NMR 或 X- 射線晶體等手段對變構(gòu)口袋&結(jié)合模式的確定指導分子優(yōu)化
2.應(yīng)對變構(gòu)口袋和結(jié)合位點識別的挑戰(zhàn)
隨著越來越多蛋白質(zhì)變構(gòu)共晶結(jié)構(gòu)的解析以及算法算力的不斷提升,基于機器學習、分子動力學模擬等計算方法在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預測以及變構(gòu)口袋確定、小分子結(jié)合模式預測以及變構(gòu)機理研究中發(fā)揮著越來越大的作用,為變構(gòu)抑制劑的“理性設(shè)計”提供了強有力的工具。繼“高選擇性激酶抑制劑藥物發(fā)現(xiàn)與分子動力學模擬”一文,介紹了分子動力學模擬在捕捉蛋白動態(tài)構(gòu)象變化中的應(yīng)用后,此次將展開介紹其在變構(gòu)結(jié)合口袋發(fā)現(xiàn)中的關(guān)鍵作用。
03針對難成藥靶點變構(gòu)劑的研發(fā)體會
1.動力學模擬在PI3Kα變構(gòu)抑制劑開發(fā)中的應(yīng)用
Alpelisib 作為首個上市的專門針對 ER+/HER2-晚期乳腺癌 PIK3CA 突變患者的治療藥物,設(shè)計上利用了正構(gòu)口袋的差異殘基 Gln859 實現(xiàn)了亞型選擇性,但對PI3Kα 的突變型與野生型卻不具選擇性,因而存在高血糖、肝毒性和嚴重的肺炎等副作用。目前,PDB 數(shù)據(jù)庫里已公開了多個 PI3Kα 的晶體結(jié)構(gòu),但靜態(tài)結(jié)構(gòu)均不能反映分子在生理條件下沿著不同構(gòu)象相互轉(zhuǎn)換的過程,因此也無法就未知變構(gòu)口袋的識別提供有效的信息。蛋白質(zhì)變構(gòu)為解決上述問題提供了新的機遇。變構(gòu)劑作用于變構(gòu)位點,不直接與作用于正構(gòu)位點的內(nèi)源性配體競爭,確保了維持靶點正常生理功能的同時,有效達到調(diào)控的目的。此外,相對于高度保守的正構(gòu)位點,更多樣化的變構(gòu)位點賦予了變構(gòu)調(diào)節(jié)劑潛在的高選擇性和低毒性。

通過晶泰科技自主研發(fā)的 AI 算法、分子動力學模擬技術(shù)及加速增強采樣技術(shù)XPose,我們對突變型蛋白和具有一定選擇性的探針分子進行了長時間的動力學模擬,觀察到探針分子對 PI3Kα 突變型蛋白中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的變構(gòu)調(diào)控,發(fā)現(xiàn)了與正構(gòu)位點的協(xié)同變構(gòu)的關(guān)鍵氨基酸殘基;結(jié)合實驗研究,定位并驗證了具有一定體積的變構(gòu)口袋;在此基礎(chǔ)上揭示了變構(gòu)抑制劑發(fā)揮活性抑制作用可能的分子機制。這表明,結(jié)合實驗與晶泰科技自主研發(fā)的計算方法可以作為強有力的工具來促進變構(gòu)、泛突變體(H1047X、E542X 和 E545X)和異構(gòu)體選擇性 PI3Kα 抑制劑的發(fā)現(xiàn)。

蛋白靶點未結(jié)合配體時的晶體結(jié)構(gòu)顯示為灰色,經(jīng)動力學模擬變構(gòu)后的結(jié)構(gòu)顯示為淺紫色。
紅色與深紫色區(qū)域分別為變構(gòu)前和經(jīng)小分子(淺紫色串球代替)誘導變構(gòu)后的關(guān)鍵氨基酸區(qū)域。
黃色圈為變構(gòu)口袋,紅色圈為正構(gòu)結(jié)合口袋。
由以上結(jié)果可見,晶泰科技動力學模擬技術(shù)在變構(gòu)位點發(fā)現(xiàn)及新型變構(gòu)劑研發(fā)中,具有技術(shù)優(yōu)勢且準確性得到驗證。

來源:Internet