基于结构的蛋白激酶抑制剂设计

蛋白激酶是经过很多实验和事实验证的有效的抗癌药物靶点，截至2017年，美国FDA总共批准了38个小分子蛋白激酶抑制剂，其中大部分用于癌症的治疗。同时激酶作为其他疾病的靶点有效性的验证工作也在进行中，包括神经失调，炎症及代谢类疾病。

人蛋白激酶由500多个激酶组成，负责磷酸化底物蛋白的氨基酸残基(丝氨酸，苏氨酸以及酪氨酸)中的羟基受体转移的化学过程，调控细胞内的信号传导过程，如细胞的生长、分化、凋亡。而异常的激酶活动会触发不适当的信号传导以及不可控的细胞生长，从而引发多种疾病，尤其是癌症。因此，小分子激酶抑制剂具有很大的新药开发潜力。

大多数激酶都是由至少两个结构域组成，一个是催化结构域，负责绑定并磷酸化底物蛋白；一个是调控结构域，直接与辅助蛋白相互作用，这个辅助蛋白通过改变构象调整催化结构域的催化活性。催化区域的核心结构是由一个小的N端区域和一个大的C端区域通过一个铰链区相连而构成。N端区域主要是由多个β-折叠而成，而C端区域则主要由a-螺旋组成，ATP结合区就位于由N端和C端区域之间的(图1)。

图1  催化以及铰链区残基构型

在多种FDA批准的小分子蛋白激酶抑制剂的研发史中，基于结构的分子设计一直占有很重要的位置。自从1991年第一个蛋白激酶A(PKA)的晶体结构被报道以来，已经有多于1000多个X射线晶体结构被报道，其中大多数晶体结构是高分辨的。图2展示了几种比较有代表性的FDA批准的上市药物包含的铰链结合杂环骨架，其中很多都被用于设计多种靶标激酶的高活性抑制剂，包括：VEGFR, Kit，B-Raf, EGFR, KDR等。小分子激酶抑制剂的先导化合物大多可通过高通量筛选、虚拟筛选或者基于碎片的筛选获得。

图2  FDA批准的激酶药物中的代表性杂环及官能团结构与铰链区的相互作用(虚线部分)

激酶抑制剂根据其结合位点可以分为三类：一类是作用于ATP结合位点，其为第一类激酶抑制剂；一类是作用于调节区，其为第二类激酶抑制剂；第三类激酶抑制剂又叫做别构抑制剂，靶向远离ATP结合位点的疏水口袋，但是可以通过引起ATP结合口袋构象变化来调节激酶活性。

1．第一类激酶抑制剂设计

第一类抑制剂拥有一个杂环骨架可以占据核苷结合区。同ATP分子中的核苷类似，这个杂环骨架也可以与铰链区形成三个氢键的相互作用。抑制剂的优化可以通过基团来扩展分子与相邻疏水口袋的相互作用。Dasatinib是第一类抑制剂，由噻唑先导化合物(8)设计而来。图3展示了设计的药效基团模型。

图3  Dasatinib的设计及药效基团模型

GSK通过一系列的筛选发现了先导化合物9，依靠蛋白激酶域模型而进行的起始结构修饰发现了活性化合物10，化合物10与VEGFR的晶体结构证明了该分子结合在ATP结合区。后续的优化使得抑制剂11被发现，最终上市(图4)。

图4  9，10，11的结构与活性

2．第二类激酶抑制剂设计

同第一类抑制剂相似，第二类激酶抑制剂与激酶中ATP结合位点结合，但是这类抑制剂可以将相互作用延伸到一个别构位点，这个别构位点只有在激酶处于非激活状态下才能被利用。目前只有3个第二类抑制剂被批准上市：伊马替尼，尼洛替尼和索拉菲尼，但是这些抑制剂却是最成功的。

雅培研发中心从噻吩并嘧啶结构骨架化合物26出发(图5)，通过移除嘧啶环中的CH得到五元环结构来模拟ATP分子中的腺嘌呤与铰链区的结合模式，研究人员设计了化合物27，28，通过引入二芳基脲得到了一系列的高活性分子，如化合物30。这个分子在小鼠模型中同样表现了良好的口服药效。

图5  基于3-氨基吲唑的结构设计及活性

3．别构抑制剂设计

别构激酶抑制剂通常也称为第三类激酶抑制剂，它们与激酶抑制剂别构位点结合，这个区域不是ATP结合位点，通过诱导激酶构象变化来调节ATP分子与激酶结合从而使激酶处于非激活状态。由于这类分子结合在激酶的特异性位点，因此这类抑制剂有最好的选择性。

武田制药曾经设计了一类基于结构的别构抑制剂。通过高通量筛选，他们发现了活性化合物38，39，为了打破与铰链区的结合，通过对吡咯氮原子的烷基化得到化合物40，但是化合物40的细胞活性差，对联苯基团的结构优化得到了更好细胞活性的化合物41(图6)。

图6  38-41的结构与活性

蛋白激酶是非常重要的药物设计靶点，其基于结构的设计构想，包括FDA批准的药物中的所用的一系列与铰链区结合的杂环以及官能团的设计都是很好的学习材料。本文是笔者的学习笔记，其中谬误之处还请大家指出，本文的主要内容来源于《Structure-based Design of Drugs and Other Bioactive Molecules: Toolsand Strategies》及其中译本。