方兴未艾之时的不可逆蛋白激酶抑制剂

中科院-石头

方兴未艾之时的不可逆蛋白激酶抑制剂

The Resurgence of Irreversible Protein Kinase Inhibitors

不可逆抑制剂并不是一个新的概念，在药物研发历史中发现的不可逆抑制剂有，阿司匹林、青霉素和06年销售量top20的奥美拉唑、氯吡格雷等。在他们被广泛使用和研究后，才发现作用机理是通过体内活性代谢物与靶标形成共价键，不可逆地抑制靶标活性。而且，这一滞后被发现的不可逆机理，也给药物化学家在设计药物分子方面，提供了新的思路，即通过引入活性片段（通常是亲电基团）达到与靶标共价结合的目的，从而提高活性。

在蛋白激酶抑制剂中，这种能与活性片段（warhead）结合的靶标残基有两种：赖氨酸（Lys）和半胱氨酸（Cys），其中，Lys的氨基可以与小分子的易离去基团发生亲核取代反应，Cys的巯基则可以与小分子或发生迈克加成反应或形成二硫键等。（见图1）

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图1

不可逆蛋白激酶抑制剂有什么优点呢？最显著的优点就是，对靶标的活性强，一旦药物分子历经口服（或注射），肠壁吸收，首过效应，血浆代谢等重重关卡到达靶标组织与靶蛋白结合后，抑制活性将不再依赖于血药溶度（AUC）、半衰期（t1/2）等药动数据。因为不可逆小分子的结合，将使被结合的靶蛋白永久失去生物功能，而机体只能通过自身新陈代谢重新生成靶蛋白来恢复本身的功能。这样一来，又会带来另一个问题，即毒性问题。因为，一旦药物分子的warhead错误地结合了非靶标蛋白（off-target），将会影响正常的生理功能。带着这个问题，通过后面的例子可以看出解决的思路。

如果按可被共价结合的Cys在蛋白激酶结合口袋的位置分，可以把目前的不可逆蛋白激酶抑制剂分为6类，分别是Group1（P-loop区），Group2（β2折叠区），Group3（铰链域），Group4（β8折叠区），Group5（A-loop区），Group6（Gatekeeper区）。（见图2）

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图2

以Group1B中的FGFR抑制剂FIIN-1为例，从图3左边可以看出，落在该区域的靶蛋白有FGFR，YES，Src，YNK1等，如果能够设计一个小分通过与Group1B处的Cys共价作用，不仅能获得高活性分子，而且能达到与其它区域蛋白的选择性（解决off-target问题）。该分子的设计者以FGFR可逆抑制剂PD173074为出发点，通过观察晶体结构，发现在母环朝向Cys484的位置可以引入丙烯酰胺片段（warhead），或许可以找到新的不可逆抑制剂，于是进行了不同的尝试得到化合物1（活性降低300倍）、化合物2（活性增强）、化合物FIIN-1（选择性进一步提高，其实这里基于原来可逆抑制剂的选择性设计策略，也同样能提高不可逆抑制剂的选择性，进而解决off-target问题）。

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图3

上面这个例子讲到了，通过提高选择性来解决off-target带来的毒性问题，如果从药物化学的角度来讲，具体的策略有两条：一是通过探索母核结构的多样性，个人认为不同的激酶对某些特定的结构具有选择性（优势结构设计策略），比如EGFR与喹唑啉、嘧啶母核抑制剂匹配，VEGFR与脲类结构匹配，这个母核结构的本质是ATP腺嘌呤结构的生物电子等排。二是通过微调活性片段（warhead），或基于化学知识调整活性片段的反应活性，或采用不同linker来连接warhead和母核。

最后，再抛出一个问题，希望和大家讨论。传统的对接方法对可逆抑制剂比较适用，但是，对于这类不可逆抑制剂与蛋白的结合模式，采用什么计算模拟手段可以预测和评价结合的强弱？

chongju135

共价结合的小分子还是有研究价值的，谢谢楼主分享

风姿花传

學習了  謝謝

mengguren527

拜读拜读沙发

SYPHU_me

板凳
好棒的文章哦，抛出的问题也是那么的给力，赞！期待对接高手给予讨论解答。
仔细阅读后向你请教。

浙医-中药筛选

{:soso_e179:}{:soso_e179:}围观高手！

川大-灰太狼

首先，就石头兄上述说的FGFR抑制剂FIIN-1中引入共价键如何达到选择性的我还不是很明白！就是因为与CYS形成共价键就有了选择性？那这个双键的尾部可以与其他蛋白的CYS形成共价键吗？比如erbB家族的蛋白，也有活性口袋旁也有CYS。
以下是激酶类的共价键抑制剂，如下图.

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其次，对于石头兄提出的共价键对接的问题，其实软件GOLD，Schrodinger的Glide都是可以实现的！但目前对接的软件的打分函数还不能很好的处理这个问题，因此仅仅可取的是对接后的构象！当然，有了这个构象，就可以用高斯量化软件研究反应的过程了。

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这将有助于研究共价键的形成。
当然，这仅仅是一种研究思路，欢迎大家提供更多的研究思路！
PS:附件中为研究激酶类共价键抑制剂的一篇文献和石头兄撰写文章的nature review。

中科院-石头

川大-灰太狼 发表于 2012-11-7 10:51

                               
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首先，就石头兄上述说的FGFR抑制剂FIIN-1中引入共价键如何达到选择性的我还不是很明白！就是因为与CYS形成 ...

1. 一般情况下，不可逆抑制剂在结合口袋中的构象、位置与可逆抑制剂是类似的，这样才能基于可逆抑制剂的结构进行合理的引入warhead。FIIN-1中的丙烯酰胺片段，朝向P-loop上的Cys484，而erbB家族蛋白在相应的位置没有Cys存在，因此，FIIN-1不能和erbB家族蛋白共价结合。而且对于erbB家族蛋白来说，额外增加的这一片断，不仅不能形成共价键，反而从弱相互作用力（氢键，疏水作用，范德华力，结构匹配）来说也是不利的。而你列举的erbB家族抑制剂中的丙烯酰胺，朝向hinge区的Cys797，同样在该位置FGFR也是没有相应的Cys存在。
2. 正如上面的所提到，额外引入的warhead往往对于弱相互作用是不利的，如果不是因为共价键强，小分子的优势结合构象也将不是适合共价键形成的构象。因此，通过对接软件出来的结果，实际的结构构象很可能排在后面，甚至不出现。
3. 你所列举的两篇文献正是我主要参考的文献，由于还参考其他文献，并且不记得相应内容的出处，就没放附件中。其他如果感兴趣的朋友，可以来下来看看。

SYPHU_me

川大-灰太狼 发表于 2012-11-7 10:51

                               
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首先，就石头兄上述说的FGFR抑制剂FIIN-1中引入共价键如何达到选择性的我还不是很明白！就是因为与CYS形成 ...

Canertinib是第一个上临床的不可逆激酶抑制剂，但由于它血小板症减少的副作用终止于二期临床试验，但这个为后来的不可逆激酶抑制剂提供了模板，比如Neratinib。另外，这两个结构中有涉及到氰基是azomethine-H2O的生物电子等排体的设计思想。我想，狼哥注意到这点了嘿嘿！
如果得到并提取的构象不太准的话，那么后面的分析就没用了吧！这个提取构象的过程是不得靠个人的经验啦。。。。。。

SYPHU_me

石头，下面这个几个问题，请教一下嘿嘿！
1. 只有Lys、Cys是不可逆抑制剂结合的靶标吗？就Lys而言，从作用机理看，是结构中的羧基负离子去亲核吧，为什么是Lys被点名，它的特别之处是什么？另外，就Cys而言，有没有可能GSH或者是TrxR与这种不饱和酮作用啦。
2. 如果活性口袋处的CYS不在你提到的那六个地方，是不也有可能形成共价复合物？
3. 判断是否是不可逆抑制剂，那么在前期如何才能早发现呢？
4. 就这种抑制剂而言，如果是PO，只吸收一点，那么你觉得有进一步开发的价值吗？给我感觉这种抑制剂研究PK没多大用啦。

SYPHU_me

中科院-石头 发表于 2012-11-7 12:31

                               
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1. 一般情况下，不可逆抑制剂在结合口袋中的构象、位置与可逆抑制剂是类似的，这样才能基于可逆抑制剂的 ...

如果是共价相互作用，就没有弱作用了，是不？为什么不能同时存在呢？

SYPHU_me

还有就是，一般形成共价键的可接受距离范围是多少，看了一下FIIN-1那个是2.9。
另外，假如我想找CYS在hinge区的所有激酶有哪些该怎么找呢？

谢谢O(∩_∩)O~