蛋白激酶是經(jīng)過很多實(shí)驗(yàn)和事實(shí)驗(yàn)證的有效的抗癌藥物靶點(diǎn)，截至2017年，美國FDA總共批準(zhǔn)了38個(gè)小分子蛋白激酶抑制劑，其中大部分用于癌癥的治療。同時(shí)激酶作為其他疾病的靶點(diǎn)有效性的驗(yàn)證工作也在進(jìn)行中，包括神經(jīng)失調(diào)，炎癥及代謝類疾病。

人蛋白激酶由500多個(gè)激酶組成，負(fù)責(zé)磷酸化底物蛋白的氨基酸殘基(絲氨酸，蘇氨酸以及酪氨酸)中的羥基受體轉(zhuǎn)移的化學(xué)過程，調(diào)控細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)傳導(dǎo)過程，如細(xì)胞的生長、分化、凋亡。而異常的激酶活動(dòng)會(huì)觸發(fā)不適當(dāng)?shù)男盘?hào)傳導(dǎo)以及不可控的細(xì)胞生長，從而引發(fā)多種疾病，尤其是癌癥。因此，小分子激酶抑制劑具有很大的新藥開發(fā)潛力。

蛋白激酶的活性區(qū)域

大多數(shù)激酶都是由至少兩個(gè)結(jié)構(gòu)域組成，一個(gè)是催化結(jié)構(gòu)域，負(fù)責(zé)綁定并磷酸化底物蛋白；一個(gè)是調(diào)控結(jié)構(gòu)域，直接與輔助蛋白相互作用，這個(gè)輔助蛋白通過改變構(gòu)象調(diào)整催化結(jié)構(gòu)域的催化活性。催化區(qū)域的核心結(jié)構(gòu)是由一個(gè)小的N端區(qū)域和一個(gè)大的C端區(qū)域通過一個(gè)鉸鏈區(qū)相連而構(gòu)成。N端區(qū)域主要是由多個(gè)β-折疊而成，而C端區(qū)域則主要由a-螺旋組成，ATP結(jié)合區(qū)就位于由N端和C端區(qū)域之間的(圖1)。

圖1 催化以及鉸鏈區(qū)殘基構(gòu)型

蛋白激酶抑制劑的設(shè)計(jì)策略

在多種FDA批準(zhǔn)的小分子蛋白激酶抑制劑的研發(fā)史中，基于結(jié)構(gòu)的分子設(shè)計(jì)一直占有很重要的位置。自從1991年第一個(gè)蛋白激酶A(PKA)的晶體結(jié)構(gòu)被報(bào)道以來，已經(jīng)有多于1000多個(gè)X射線晶體結(jié)構(gòu)被報(bào)道，其中大多數(shù)晶體結(jié)構(gòu)是高分辨的。圖2展示了幾種比較有代表性的FDA批準(zhǔn)的上市藥物包含的鉸鏈結(jié)合雜環(huán)骨架，其中很多都被用于設(shè)計(jì)多種靶標(biāo)激酶的高活性抑制劑，包括：VEGFR, Kit，B-Raf, EGFR, KDR等。小分子激酶抑制劑的先導(dǎo)化合物大多可通過高通量篩選、虛擬篩選或者基于碎片的篩選獲得。

圖2 FDA批準(zhǔn)的激酶藥物中的代表性雜環(huán)及官能團(tuán)結(jié)構(gòu)與鉸鏈區(qū)的相互作用(虛線部分)

激酶抑制劑根據(jù)其結(jié)合位點(diǎn)可以分為三類：一類是作用于ATP結(jié)合位點(diǎn)，其為第一類激酶抑制劑；一類是作用于調(diào)節(jié)區(qū)，其為第二類激酶抑制劑；第三類激酶抑制劑又叫做別構(gòu)抑制劑，靶向遠(yuǎn)離ATP結(jié)合位點(diǎn)的疏水口袋，但是可以通過引起ATP結(jié)合口袋構(gòu)象變化來調(diào)節(jié)激酶活性。

1．第一類激酶抑制劑設(shè)計(jì)

第一類抑制劑擁有一個(gè)雜環(huán)骨架可以占據(jù)核苷結(jié)合區(qū)。同ATP分子中的核苷類似，這個(gè)雜環(huán)骨架也可以與鉸鏈區(qū)形成三個(gè)氫鍵的相互作用。抑制劑的優(yōu)化可以通過基團(tuán)來擴(kuò)展分子與相鄰疏水口袋的相互作用。Dasatinib是第一類抑制劑，由噻唑先導(dǎo)化合物(8)設(shè)計(jì)而來。圖3展示了設(shè)計(jì)的藥效基團(tuán)模型。

圖3 Dasatinib的設(shè)計(jì)及藥效基團(tuán)模型

GSK通過一系列的篩選發(fā)現(xiàn)了先導(dǎo)化合物9，依靠蛋白激酶域模型而進(jìn)行的起始結(jié)構(gòu)修飾發(fā)現(xiàn)了活性化合物10，化合物10與VEGFR的晶體結(jié)構(gòu)證明了該分子結(jié)合在ATP結(jié)合區(qū)。后續(xù)的優(yōu)化使得抑制劑11被發(fā)現(xiàn)，最終上市(圖4)。

圖4 9，10，11的結(jié)構(gòu)與活性

2．第二類激酶抑制劑設(shè)計(jì)

同第一類抑制劑相似，第二類激酶抑制劑與激酶中ATP結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合，但是這類抑制劑可以將相互作用延伸到一個(gè)別構(gòu)位點(diǎn)，這個(gè)別構(gòu)位點(diǎn)只有在激酶處于非激活狀態(tài)下才能被利用。目前只有3個(gè)第二類抑制劑被批準(zhǔn)上市：伊馬替尼，尼洛替尼和索拉菲尼，但是這些抑制劑卻是最成功的。

雅培研發(fā)中心從噻吩并嘧啶結(jié)構(gòu)骨架化合物26出發(fā)(圖5)，通過移除嘧啶環(huán)中的CH得到五元環(huán)結(jié)構(gòu)來模擬ATP分子中的腺嘌呤與鉸鏈區(qū)的結(jié)合模式，研究人員設(shè)計(jì)了化合物27，28，通過引入二芳基脲得到了一系列的高活性分子，如化合物30。這個(gè)分子在小鼠模型中同樣表現(xiàn)了良好的口服藥效。

圖5 基于3-氨基吲唑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及活性

3．別構(gòu)抑制劑設(shè)計(jì)

別構(gòu)激酶抑制劑通常也稱為第三類激酶抑制劑，它們與激酶抑制劑別構(gòu)位點(diǎn)結(jié)合，這個(gè)區(qū)域不是ATP結(jié)合位點(diǎn)，通過誘導(dǎo)激酶構(gòu)象變化來調(diào)節(jié)ATP分子與激酶結(jié)合從而使激酶處于非激活狀態(tài)。由于這類分子結(jié)合在激酶的特異性位點(diǎn)，因此這類抑制劑有最好的選擇性。

武田制藥曾經(jīng)設(shè)計(jì)了一類基于結(jié)構(gòu)的別構(gòu)抑制劑。通過高通量篩選，他們發(fā)現(xiàn)了活性化合物38，39，為了打破與鉸鏈區(qū)的結(jié)合，通過對(duì)吡咯氮原子的烷基化得到化合物40，但是化合物40的細(xì)胞活性差，對(duì)聯(lián)苯基團(tuán)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化得到了更好細(xì)胞活性的化合物41(圖6)。

圖6 38-41的結(jié)構(gòu)與活性

蛋白激酶是非常重要的藥物設(shè)計(jì)靶點(diǎn)，其基于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)構(gòu)想，包括FDA批準(zhǔn)的藥物中的所用的一系列與鉸鏈區(qū)結(jié)合的雜環(huán)以及官能團(tuán)的設(shè)計(jì)都是很好的學(xué)習(xí)材料。本文是筆者的學(xué)習(xí)筆記，其中謬誤之處還請(qǐng)大家指出，本文的主要內(nèi)容來源于《Structure-based Design of Drugs and Other Bioactive Molecules: Toolsand Strategies》及其中譯本。