Dr. X | 四两拨千斤——变构调节为新型靶向药开发另辟蹊径

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Dr. X 是由晶泰科技博士团发起的专业知识分享栏目，旨在向生物医药行业传递和分享全球 AI 药物研发的前沿技术与研发动态，促进广大药物研发从业者对 AI 药物研发的认知，推动 AI 等前沿技术在药物研发领域的应用。

自 2001 年 FDA 批准首款激酶抑制剂 Imatinib 上市，靶向激酶的抗肿瘤药物研发赛道日益火热。根据作用方式和结合位置可将激酶抑制剂分成 6 大类型，其中 III 型和 IV 型均结合于非底物结合位点但对激酶活性发挥调控的作用，即变构调节抑制剂。

变构剂的优势：

靶点蛋白具有正常生理功能，正构抑制的策略不适用（如离子通道）；
靶点的正构结合位点高度保守，药物选择性成难题（如激酶）；
靶点正构位点存在天然底物，较高的给药剂量给用药安全带来挑战；
克服正构结合口袋内氨基酸突变造成的耐药问题，且实现突破瘤种限制；

目前已有的变构数据库（Allosteric Database, ASD）涵盖了 800 多种变构蛋白，涉及 9 大类蛋白：G 蛋白偶联受体、离子通道蛋白、转运蛋白、核激素受体（NHR）以及各类酶类（激酶、蛋白酶、磷酸酶、转移酶、水解酶等）。蛋白质都具有自发的动态行为的本质，且单域变构蛋白的发现也让变构调节机制存在普遍性的置信度加深【1】，随着近些年蛋白晶体解析、AI 辅助变构位点预测方法的进步，为大规模地理性设计变构药物带来希望。

开发变构剂的方法及挑战

变构类药物研究实质上是对正构结合位点—变构结合位点—两者间动态信息传播机制三者构成的系统的研究：寻找可成药（Druggable）的变构效应位点、更复杂多样的配体-受体结合模式、难以预测的调节机制等等，都是开发变构剂面临的挑战。

预测变构剂对靶点蛋白的正负调节效果，生物学功能实验验证依旧是较可靠的方法，有效的前期预测方法尚欠缺。有研究把变构调剂机制简化成如下的热动力学循环，通过计算结合自由能变化 ΔΔG 推断变构剂的潜在激活或抑制调节功能（AlloType方法）【2】。

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蛋白质(P) 与其底物(S)及变构调节物(A)结合分别形成PS, PA和PAS复合物，KM和KA分别代表蛋白-底物复合物和蛋白-变构调节剂的解离常数。kcat 为催化常数，α和β表示变构结合强度。

靶点结构同样为新型变构剂开发所必须，如 X 射线晶体衍射和冷冻电镜单颗粒分析；但两者目前均不能就未知变构位点提供有效的信息。目前探索新型变构位点主要通过数据驱动的计算方法实现，比如目前有专用于变构位点识别的 FragMaps 方法，是基于配体竞争性饱和（Site-identificationby ligand competitive saturation, SILCS）的方法，就是通过找到能占据靶点所有潜在结合位点的分子片段并匹配出其结合亲和力实现的【3】。

针对变构位点药物发现发展了各种预测模型和数据库，其中常用的模型涵盖变构位点的预测，与变构效应相关的热点残基，变构效应的作用通路，影响变构效应的关键残基突变，配体与变构位点的结合强度，正向和负向变构调节剂的预测，变构调节剂的设计和筛选等。在变构位点确定之后，很多针对正构位点开发的药物设计算法可以应用在变构位点，比如基于不同 AI 模型的目标导向分子设计，分子与靶标的亲和力评估，分子的成药性质评估等。除此之外，变构位点的药物设计有其独特之处，包括正向和负向变构效应预测，影响变构效应的残基突变预测，变构位点的识别等，这些问题的解决有待于基于数据的 AI 模型与基于结构的物理模型的进一步发展，并与多种实验技术紧密结合。

从 ABL001 谈变构药物开发趋势

2021 年最成功的激酶变构抑制剂药物要属诺华开发的 Asciminib（ABL001），一款全新的靶向 BCR-ABL 肉豆蔻酰口袋（STAMP）的变构抑制剂，用于治疗费城染色体阳性慢性髓系白血病(Ph+CML)，并对携带 T315I 突变的患者同样有效。

Asciminib 被 FDA 授予创新疗法（Breakthrough Therapy Designation, BTD）的资格认定，原因在于：

此前对此类疾病唯一有效治疗方法是异体造血干细胞移植，但绝大多数患者并不适用；
早一代激酶抑制剂类药物 Imatinib 直接靶向 ABL 并抑制其酪氨酸激酶活性，可显著引起 BCR-ABL+ 的细胞凋亡，但由于 BCR-ABL+ 细胞持续存在和药物耐受，因此对晚期患者的治疗效果欠佳。

发现费城染色体出现并表达 BCR-ABL 融合蛋白是 CML 的必要病理机制，且以 ABL 的酪氨酸激酶活性为先决条件，都为认定 ABL 为 CML 的治疗靶点和 Asciminib 的开发奠定基础【4】。

图1 a, b分别描述了 ABL 和 BCR 蛋白的结构域划分。生理状况下，ABL 蛋白 1b 结构域包含的肉豆蔻酰化修饰位点、及在 SH2 和 SH3 结构域共同“钳制”下处于活性抑制状态【5】；融合蛋白的形成将钳制解除出现异常激活。图2为 BCR-ABL 融合蛋白的结构及分别与正构抑制剂 nilotinib 和变构抑制剂 ABL001 结合的结构示意图（红色虚线为氢键，玫红色球形为水分子）【6】。

变构调节剂类药物开发越来越受到关注，多种机制下的变构调节剂也在开发中。日前，Biocon 披露了开发出了一种基于变构的、阻断蛋白-蛋白相互作用的新型化合物，通过阻断 AIMP2-DX2 与 Hsp 70 之间相互作用(PPIs)发挥对抗肿瘤发展的作用。其结构如下，理化性质仍在优化过程中【7】

左图显示 DX2 蛋白关键氨基酸（灰色）与变构调节剂化合物 1（绿色）结合后造成的疏水环境，阻断了 DX2-Hsp70 蛋白复合物的形成。

适应症方面看，靶向离子通道的精神类疾病是变构药物开发的另一主要领域。中枢神经系统离不开离子通道正常生理功能的维持；多亚基聚合体的结构特征为变构剂开发提供有利条件。以 GABA 受体复合物的研究居多，随着 2018 年借助冷冻电镜对这一受体异聚体结构及与内源配体、药物分子 benzodiazepines 结合模式的解析，为当前多款精神类药物的开发提供基础。2022 年 3 月 FDA 即将批准上市 Ganaxolone (Marinus Pharmaceuticals Inc.)，是一款口服起效的 GABAA 受体正向变构调节剂，为四氢孕酮类似物，用以控制间歇性和持续性癫痫。

2021 年至今处于 II 临床试验及以后阶段的变构药物汇总如下：

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*据公开资料收集整理

结语

变构调节类药物独特的药理药效优势越来越得到认知，其作用机制的新颖性为小分子化药开发提供了创新思路，一方面为靶向激酶、离子通道等传统难成药靶点的药物开发提供了方法，另一方面，也一定程度上为当前药物开发面临的靶点枯竭问题带来了新视角。

越来越多研究支持蛋白质变构调节机制存在普遍性，但探索可成药的机制和作用位点始终充满未知与挑战。已有蛋白变构信息数据库建立，发展出专用于变构位点预测及调节机制的计算方法。随着基于数据的 AI 模型与基于结构的物理模型的进一步发展，并与多种实验技术紧密结合，为变构调节类药物开发的方法成熟提供保障。

参考文献

【1】Volkman, B. F. et al., Sci. Signal. 291, 2429 (2001).

【2】Huang, Q. et. al., J. Phys. Chem. Lett. 12, 5404−5412 (2021)

【3】MacKerell, A. D. et al., Biochimica et Biophysica Acta, 129519(2020)

【4】Ren, R. Nat Rev Cancer 5, 172–183 (2005)

【5】Wu, P. Trends in Pharmaco Sci 36, 422-439 (2015)

【6】Ni, D. Trends in Pharmaco Sci 41, 336-348 (2020)

【7】Kim, D.G. et al. J Pharmacol Exp Ther 379(3): 358(2021)

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