干扰蛋白-蛋白相互作用的小分子药物设计(1)

2023-05-10 14:56:27

蛋白-蛋白相互作用(protein-protein interaction,以下简称PPI)在调节生物系统的各项功能过程中起着重要作用,因此也与多种疾病发生密切相关。1999年,Bernard提出了相互作用组(interactome)的概念,引起了业界对广泛存在的蛋白间直接相互作用网络的关注。在新药研发领域,设计PPI抑制剂分子有助于改善药物的选择性等问题。然而,由于PPI靶标在结构上不同于典型的酶类靶标,这类小分子抑制剂的开发难度也非常大。

近二十年来,由于结构生物学的兴起,药物化学家“看到”了PPI界面的结构特征,使PPI小分子抑制剂的合理化设计成为可能。本月,Duncan E. Scott等人在Nature Reviews Drug Discovery发表综述,详细阐述了PPI界面从结构上的分类和成药性(druggability),并总结了最容易设计抑制剂的一类:单肽链结合到球形蛋白表面,最好是由一个残基“锚定”到球形蛋白“口袋”中(典型例子bromodomain)。

PPI成药性

作者将常见PPI靶标结构分类总结为表格。笔者根据个人对文献的理解,按照成药性由易到难排序,如下图。


图1 PPI靶标结构按成药性分类

PPI成药性预测工具

上述分类较为概括,如果你还是不确定感兴趣的PPI是否适合做药,一些在线预测工具和数据库可以帮你做出决策。

Dr. PIAS(http://asp.gridasp.net/drpias/index.php)是一个在线的PPI成药性评估系统。ANCHOR(http://structure.pitt.edu/anchor)可用于分析PPI界面适合成药的热点残基。2P2IDB(http://2p2idb.cnrs-mrs.fr/)是一套集成系统,包括PPI数据库、热点残基预测、成药性打分、化合物库过滤等功能。此外,一些数据库如STRING(http://string-db.org/)、TIMBAL(http://mordred.bioc.cam.ac.uk/timbal/)等,收集了大量的PPI及其抑制剂信息。


图2 PPI数据库与预测工具

PPI特征

前面提到,PPI结构与酶类口袋不同,使得在传统研发经验下这类小分子抑制剂发现的命中率很低。那么PPI界面有怎样的特征呢?

1. 热点残基(hot spots,图3)

热点残基是指相互作用界面上的若干氨基酸(组)对结合自由能的贡献明显大于另一些残基,这些贡献大的氨基酸被称作热点残基或热点口袋。由于热点的存在,PPI靶标与酶类靶标相比,具有更多、更小的子口袋。


图3 热点残基示意图

2. 较大的表面包埋面积

PPI包埋面积可达到几千平方埃,而酶口袋包埋面积仅在几百平方埃。然而由于PPI口袋的开放性(如图1第4类结构),蛋白与小分子的接触并不紧密。

3. 口袋较浅

4.诱导-契合效应明显

蛋白表面暴露在溶剂中,残基侧链柔性很大,对口袋形状影响也很大。甚至有些PPI表面原本并没有结合口袋,直到两者近距离接触,才诱导出明显的接触口袋(adaptive pocket)。这种效应对抑制剂结构合理化设计带来了巨大挑战。

PPI小分子抑制剂设计难点

1.药代动力学性质差

由于PPI界面较大的接触面积和表面的开放性,抑制剂分子量要很大(>800也是很常见的)才能cover足够的热点。这种明显违背经典5规则的分子,接下来的药代性质优化也是很头疼的。因此,需要总结超出5规则的适合成药的化学空间,以指导PPI抑制剂药物设计。

2. 活性较弱

这也是PPI界面的开放性导致的。尽管有大量PPI抑制剂报道,但多数优化后的小分子结合常数也只能达到微摩尔级别,达到个位数纳摩尔级别的更是凤毛麟角。

3. 口袋柔性大

4.结合位点不连续

对于这种情况,基于片段的药物设计(fragment-based drug design, FBDD,图4)发挥了巨大优势。然而这种方法遇到的挑战有,一是小片段与蛋白的结合较难检测,二是片段间的连接需要很多探索。


图4 基于片段的药物设计流程

尽管PPI抑制剂小分子药物设计存在诸多挑战,近二十年来药化专家们的不断探索也积累了许多经验,如基于NMR的片段筛选与优化、多肽类似物合理化设计、计算方法等。下一期将通过具体案例向大家介绍这些设计思路是如何实际应用于PPI药物设计的。


作者:邢婧

参考文献Scott, D. E. et al, Small molecules, big targets: drug discovery faces the protein-protein interaction challenge. Nature reviews. Drug discovery 2016, 15 (8), 533-50.


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