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[药物设计] 方兴未艾之时的不可逆蛋白激酶抑制剂

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发表于 2012-11-6 19:16:12 | 显示全部楼层 |阅读模式

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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)

1.jpg
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。

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)


2.jpg
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)。

3.jpg
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?


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川大-灰太狼 + 10 很给力!欢迎大家参与讨论!

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发表于 2015-12-9 15:49:55 | 显示全部楼层
共价结合的小分子还是有研究价值的,谢谢楼主分享
发表于 2016-10-27 10:56:10 | 显示全部楼层
學習了  謝謝
发表于 2012-11-6 21:25:48 | 显示全部楼层
拜读拜读沙发
发表于 2012-11-7 09:20:13 | 显示全部楼层
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。
发表于 2012-11-7 10:01:53 | 显示全部楼层
{:soso_e179:}{:soso_e179:}围观高手!
发表于 2012-11-7 10:51:27 | 显示全部楼层

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.
kinase.png

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。
kinase2.png
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。

共价键的激酶抑制剂研究.pdf

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nrd3410.pdf

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 楼主| 发表于 2012-11-7 12:31:14 | 显示全部楼层

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。
发表于 2012-11-7 13:54:21 | 显示全部楼层
川大-灰太狼 发表于 2012-11-7 10:51
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。。。。。。
发表于 2012-11-7 14:10:42 | 显示全部楼层
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。
发表于 2012-11-7 14:13:43 | 显示全部楼层
中科院-石头 发表于 2012-11-7 12:31
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?
发表于 2012-11-7 16:04:57 | 显示全部楼层
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~
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