片段苗頭化合物的結(jié)構(gòu)特征和蛋白結(jié)合模式

2019年4月6日 | Filed under: 制藥工業(yè),制藥企業(yè),藥物化學(xué),新藥研發(fā),制藥常識(shí),文獻(xiàn)綜合 | Posted by: 路人丙

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【新聞事件】：今天《藥物化學(xué)雜志》發(fā)表一篇哥倫比亞大學(xué)科學(xué)家的一項(xiàng)工作。作者分析了20個(gè)蛋白家族中126個(gè)蛋白與462個(gè)片段苗頭化合物的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)，涉及168個(gè)結(jié)合腔（有的蛋白有不止一個(gè)結(jié)合腔）和79個(gè)蛋白域。宏觀性質(zhì)看這些分子片段的95%符合RO3規(guī)則（MW<300, clogP<3，氫鍵供體<3），90%是非手性化合物，sp3雜化碳原子也不多（Fsp3<0.5），但71%化合物至少有20-30%的原子是可以形成氫鍵的雜原子。73%的片段配體在晶體結(jié)構(gòu)中至少有80%表面被蛋白結(jié)合腔覆蓋， 77%的化合物至少80%的極性表面被蛋白覆蓋。92%的片段至少與靶點(diǎn)蛋白形成一個(gè)氫鍵，其中88%是埋在結(jié)合腔內(nèi)的高質(zhì)量氫鍵。分辨率較高（<1.5埃）的晶體結(jié)構(gòu)可以分析水的作用，這些結(jié)構(gòu)（116個(gè)）中46%至少有一個(gè)水分子與蛋白形成兩個(gè)氫鍵、與配體形成一個(gè)氫鍵。以較小代價(jià)通過(guò)片段篩選找到這些優(yōu)質(zhì)結(jié)合方式再優(yōu)化可能是個(gè)效率較高的藥物設(shè)計(jì)策略。

【藥源解析】：小分子藥物發(fā)現(xiàn)首先要有一個(gè)性質(zhì)比較接近藥物的先導(dǎo)物。歷史上先導(dǎo)物主要來(lái)自天然產(chǎn)物和臨床的意外發(fā)現(xiàn)。后來(lái)有人發(fā)現(xiàn)有些化學(xué)結(jié)構(gòu)與多類蛋白結(jié)合，這些所謂優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)的衍生物可能成為多個(gè)靶點(diǎn)提供先導(dǎo)物。隨著組合化學(xué)和高通量測(cè)試的興起有了高通量篩選（HTS）和最近的DNA編碼庫(kù)篩選（DEL），可以為多數(shù)靶點(diǎn)找到活性足夠的苗頭化合物。但篩選都是以活性為首要評(píng)價(jià)指標(biāo)，而現(xiàn)在化合物庫(kù)中很多化合物其它性質(zhì)不佳，這令藥代、毒性、選擇性等下游性質(zhì)的優(yōu)化變得困難。

HTS如同買(mǎi)彩票，要買(mǎi)到6個(gè)數(shù)全對(duì)的幾率很小。但如果你能以少量投入先找出一兩個(gè)正確數(shù)字再用某些算法推算其它數(shù)字則效率增加很多，這是基于片段藥物設(shè)計(jì)（FBDD）的初衷。FBDD通常只要篩選幾千化合物（HTS需要幾十上百萬(wàn)，DEL篩選幾十億稀松平常）即可找到配體，但這些配體通常活性較低、在0.1-1 mM范圍。找到候選藥物并不容易。回到上面彩票的算法，在FBDD中這個(gè)算法就是晶體結(jié)構(gòu)。有了晶體結(jié)構(gòu)（或溶液結(jié)構(gòu)，但不常用）的指導(dǎo)化合物修飾可以有的放矢，比隨機(jī)篩選理論上效率大增。多年前Michael Hann用了一個(gè)簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)模型證明片段篩選的命中率高于HTS，但代價(jià)是離終點(diǎn)更遠(yuǎn)。

除了命中率，這個(gè)工作的兩個(gè)主要發(fā)現(xiàn)、即片段分子大部分表面被蛋白腔覆蓋和極性相互作用（氫鍵和結(jié)構(gòu)水介導(dǎo)氫鍵）驅(qū)動(dòng)結(jié)合也是藥物分子的理想性質(zhì)。極性相互作用因?yàn)閷?duì)方向和距離有嚴(yán)格要求所以分子越大越不容易同時(shí)有多個(gè)配體-靶點(diǎn)極性相互作用。這個(gè)工作對(duì)比了另一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中445個(gè)HTS化合物與靶點(diǎn)的晶體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)這些平均分子量比片段大一倍的化合物只比片段多一個(gè)與靶點(diǎn)作用的氫鍵。這些極性相互作用也不容易在結(jié)構(gòu)修飾中加入，你隨便翻開(kāi)一篇J. Med. Chem文章會(huì)發(fā)現(xiàn)化合物優(yōu)化過(guò)程中90%的活性增加來(lái)自疏水基團(tuán)的引入。所以迅速找到一個(gè)關(guān)鍵極性相互作用是個(gè)優(yōu)勢(shì)，如同組建樂(lè)隊(duì)已經(jīng)找到主唱。這個(gè)氫鍵供體如果在一個(gè)較大化合物中可能因?yàn)槲蛔杌蚱渌胶庖蛩責(zé)o法被發(fā)現(xiàn)。片段更可能深入結(jié)合腔也比較容易理解，但這個(gè)工作發(fā)現(xiàn)片段的極性表面也比較大化合物更容易被結(jié)合腔包圍，雖然差別不大但也是個(gè)優(yōu)勢(shì)。

片段雖然有不少優(yōu)勢(shì)但也有實(shí)際困難。首先檢測(cè)這樣弱的活性需要另一套評(píng)價(jià)系統(tǒng)、多數(shù)為生物物理技術(shù)，這是附加成本。另外對(duì)于復(fù)雜蛋白因?yàn)榧夹g(shù)限制通常只能用其中一段測(cè)試，與這段蛋白結(jié)合不一定能在功能上抑制該蛋白，因?yàn)橛行┙Y(jié)合腔對(duì)功能無(wú)影響、而有些蛋白域的存在會(huì)調(diào)控活性腔構(gòu)象。另外從片段開(kāi)始即使有晶體結(jié)構(gòu)指導(dǎo)優(yōu)化過(guò)程還是要長(zhǎng)于HTS，這也是不利因素。FBDD已經(jīng)有了幾個(gè)上市藥物，但與DEL類似只是對(duì)某些特定靶點(diǎn)會(huì)起到重要作用，徹底取代HTS目前不太可能。

原文見(jiàn)：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jmedchem.8b01855

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