蛋白质晶体结构与药物发现(2)

蛋白质晶体结构与药物发现(2)

蛋白质晶体结构对药物发现的贡献:

治疗镰状细胞疾病的药物是第一类通过X射线分方法分析蛋白-小分子结合模式的药物。这些开创性研究激发了通过基于结构的方法设计改进化合物的首次尝试。不久之后,通过这种研究方法,开发出卡托普利,一种抗高血压药物,也是市场上销售的第一种口服的血管紧张素转换酶(ACE)抑制剂。这为药物研究开创了一个新纪元,也是第一次,药物是根据蛋白质晶体结构信息进行合理设计,因此提供了基于结构的方法的有效性的第一个有力证明。

有趣的是,卡托普利(下图a)的设计使用了简单的化学概念,底物或抑制剂与酶活性位点结合的“纸和铅笔”假想模型。该模型从牛羧肽酶A的晶体结构推断出。人类ACE的结构仅在2003年,发现卡托普利类药物25年后才可用。

而ACE与卡托普利复合物的晶体学分析证实了设计的相互作用模式,但ACE与羧肽酶A几乎没有结构相似性。然而,这不是故事的结尾。目前已知人类ACE由两个同源的功能活性结构域组成,但仅抑制其中一个结构域似乎是实现抗高血压作用所必需的。因此,使用ACE的详细结构将很快发现疗效更好且副作用更少的结构域选择性抑制剂。

从历史上看,多佐胺(上图b)是第一个基于结构的设计的研发方法得到批准上市的药物,多佐胺是一种nM级别的碳酸酐酶Ⅱ抑制剂,该药于20世纪90年代早期开发,用作治疗青光眼的局部药物。

研发方法为对靶点进行X射线分析并结合分子模型研究,包括使用从头(ab initio)量子化学计算进行深度构象分析。目前,已经鉴定出14种不同亚型的哺乳动物碳酸酐酶,其中几种起着重要的病理生理学作用。

现在通过公共数据库可以获得三种碳酸酐酶亚型和多种抑制剂的晶体结构信息。此外,X射线分析揭示了几种不同骨架的化合物激活碳酸酐酶的结构基础。这些研究进展加速了碳酸酐酶研究,从而可能研发出现新的治疗药物。

奥司他韦(oseltamivir,上图d),一种神经氨酸酶抑制剂用于治疗流行性感冒,该药的发现是另一个成功的基于结构的药物设计的例子。神经氨酸酶的晶体结构信息被阐明之前,通过随机筛选或过渡态类似物的合理设计的方法未能产生任何有效的神经氨酸酶抑制剂。通过对唾液酸复合物晶体结构分析,发现简单修饰具微摩尔亲和力的唾液酸类似物,就可研发出强效抑制剂。值得注意的是,仅合成了两种化合物,两种化合物都是非常有效的抑制剂,其Ki值分别为50 nM和0.2 nM。最有效的化合物扎那米韦(zanamivir上图c)成为第一个销售的神经氨酸酶抑制剂。进一步的基于结构的设计集中于开发具有提高的药代动力学性质和亲脂性的类似物。这些努力很快导致奥司他韦,第二代口服药物的诞生。

这些令人瞩目的成功给予了基于结构的药物设计极大的动力。在过去的20年中,这种方法已被广泛应用于众多靶点,并且已经开发出许多临床候选药物。迄今为止,已有9种批准的药物,HIV-1蛋白酶抑制剂源自基于结构的药物设计。此外激酶抑制剂正在快速赶上。在下面的章节中,将更详细地描述基于结构的方法的药物研发过程。

阿利克仑(Tekturna™,Rasilez™)

由于其优异的底物选择性和其在肾素—血管紧张素级联中,作为限速酶的关键作用,肾素一直是药物研发的焦点。在研究的早期,肾素抑制剂的研究受到了以前关于真菌天冬氨酸蛋白酶研究过程中收集的结晶学数据的启发。1989年,人肾素的晶体结构变得可用,紧接着肾素抑制剂的作用模式被成功的解析,最终使基于结构的肾素抑制剂设计成为可能。

这些研究中出现了多种有效的肽样抑制剂,但其进一步发展受到阻碍,这是由于这些化合物的存在很大的缺陷例如口服生物利用度不足,代谢稳定性不够,临床效果不足或制造成本过高。

为了克服这些问题,基于结构的药物设计策略逐渐发展,旨在充分利用由S1和S3酶亚位点形成的疏水空腔(如下图所示)。这一前所未有的设计理念的主要目标是通过延伸疏水基团取代现有抑制剂的P2-P4肽骨架,并填充酶的S1-S3空腔。

此外,设计策略试图保存先前在许多与拟肽抑制剂的复合物中观察到的关键的氢键相互作用(对S3亚区中的Ser219)。通过该策略发现了高度有效和选择性的非肽类肾素抑制剂。随后对与肾素复合的几种代表性化合物的X射线分析证实了设计策略的有效性。而最有趣的是,它揭示了可从S3亚位点直接获得但与底物结合口袋垂直的子口袋的存在。

然后药物化学努优化对肾素的体外效力,体内效力和作用持续时间以及进一步通过修饰P1’和P2’组来优化药代动力学性质。这导致阿利吉仑的发现(图30.4a),该药是被批准用于治疗高血压的新型强效口服活性非肽肾素抑制剂。

尼罗替尼(Tasigna™)

靶向ATP结合位点的蛋白激酶抑制剂的开发最初受到了极大地怀疑,因为这类化合物不可能具有足够的选择性,从而将它们转化为有用的治疗药物。鉴于人类激酶组(518个基因)的蛋白数量较高且ATP结合位点的高度保守性,这种批评是有根据的。然而,伊马替尼的发现(如下图b),一种Bcr-Abl致癌基因的酪氨酸激酶抑制剂和作为慢性骨髓性白血病的有效治疗药物,为这种设计思路的可行性提供了关键证据。

毫不奇怪,在此项突破之后不久,蛋白激酶成为热门研究领域。蛋白质晶体学对蛋白激酶的结构,机制和调控以及激酶抑制剂的开发有重要贡献。带有ATP、ATP类似物以及抑制剂的蛋白激酶复合物的大量结构研究,为理解药物效力和选择性的结构要求提供了基础。

带有去甲基哌嗪基伊马替尼的Abl激酶结构域复合物的晶体结构在2000年被成功解析,紧接着是伊马替尼复合物。

在药物的确切结合模式未知时,为了改善药物的溶解度,伊马替尼引入了N-甲基哌嗪基团。让人意外的是,X射线分析显示药物与激酶的非活性构象结合,苯甲酰胺和哌嗪基团进入ATP位点后部的口袋(如上图所示)。激酶的DFG基团的构象切换是形成该口袋形成的原因,因此也称为“DFG-out”口袋。在这种结合模式下,N-甲基哌嗪基团仅部分暴露于溶剂并与激酶产生强相互作用。更重要的是,发现Abl激酶的无活性状态的几个结构特征在伊马替尼结合中扮演了重要的角色,详细的结构比较表明,这些特征在其他蛋白激酶中保守性较差,从而清楚地测定了其选择性的决定因素。

这些研究为合理设计对多种伊马替尼耐药突变有效的第二代药物铺平了道路。设计策略试图保持与激酶的非活性构象的结合,以确保保留药物的优异选择性特征。为此,保留了四个关键的氢键相互作用,但中心酰胺药效团替换为反向酰胺(如上图所示)。X-ray结构与一些代表性化合物的确定指导了进一步优化过程,这项工作最终导致了尼罗替尼(Tasigna™)的发现。该药是一种高度有效的、有选择性的药物,对33种伊马替尼耐药的Bcr-Abl变体中的32种蛋白具有活性。

参考文献:Chapter 30 Protein Crystallography and Drug Discovery. In The Practice of Medicinal Chemistry, 3rd Ed, 2008