2026年7月15日,西湖实验室、西湖大学-《科学》杂志/美国科学促进会 (Science/AAAS)联合线上研讨会第五期顺利举行,主题为“Covalency in Drug Discovery, From Small Molecules to Biologics”(共价作用在药物发现中的应用:从小分子到生物制剂)。
本次研讨会聚焦共价化学在现代药物发现中的新角色,讨论共价小分子、化学蛋白质组学、诱导邻近、肿瘤免疫治疗和共价蛋白药物等方向如何共同拓展可成药靶点空间。不同于传统上只把共价作用理解为不可逆抑制,几位报告人都强调了“可控反应性”和“邻近驱动”这两个关键词,即通过分子识别先把反应基团带到正确位置,再让共价键在恰当时间和靶点上形成。
本期报告由《科学》杂志/美国科学促进会高级编辑Michael Funk主持开场,西湖实验室、西湖大学党波波研究员共同主持并介绍嘉宾。研讨会邀请了来自美国Scripps研究所的Benjamin F. Cravatt教授、来自加州大学圣迭戈分校UCSD的Fleur Ferguson教授和来自加州大学旧金山分校UCSF的王磊教授,并在最后由党波波研究员分享其课题组关于快速作用共价蛋白药物的最新工作。
报告按照从小分子发现到蛋白药物工程的逻辑展开,每一部分后均设置问答,围绕AI辅助设计、非半胱氨酸残基反应、共价降解剂适用场景、蛋白药物安全性和可制造性等问题进行了讨论。几位报告人围绕同一个核心问题展开:如何利用共价作用把短暂、弱的分子识别转化为更持久、更可控的功能调节。报告从共价配体发现出发,逐步延伸到靶向蛋白降解、肿瘤免疫治疗和蛋白药物工程,展示了共价化学不只是“增强结合”的手段,也可以成为发现隐蔽功能位点、调节三元复合物稳定性、限制药物空间分布和突破亲和力上限的策略。尤其值得注意的是,本场报告多次回到同一个设计原则:共价药物的关键并不在于简单提高弹头本身的反应性,而在于通过结合界面的几何约束、停留时间和局部有效浓度,使反应只在目标附近快速发生,从而兼顾效力、选择性和安全性。
资深编辑Michael Funk博士和主持人党波波博士
线上研讨会系列提供了一个开放对话的平台,讨论前沿主题和创新思想,累计超过93300人次观看本次直播。全球观众包括来自大学、医院、科研机构和制药公司的研究员、学者、科学家和学生,他们积极参与并同演讲者探讨有关该研究领域未来方向的问题和想法。
第一位进行报告的是Benjamin F. Cravatt教授。他以活性基础蛋白质组学(activity-based protein profiling, ABPP)为主线,回顾了共价配体如何帮助研究者在天然细胞环境中发现传统筛选难以捕捉的可配体化位点。
Cravatt教授首先讨论了人类蛋白质组中疾病相关蛋白与经典可成药蛋白之间的巨大缺口,指出ABPP可通过反应性探针和质谱读出,在蛋白质组范围内同时评估配体的效力与选择性,因此特别适合发现没有成熟生化检测体系的靶点。随后他以早期与辉瑞合作的FAAH共价抑制剂、BTK共价激酶抑制剂以及半胱氨酸导向的立体探针库为例,说明化学蛋白质组学如何帮助研究者去风险化不可逆抑制剂,并证明“旁观者”半胱氨酸也可以支持高选择性的药物发现。
Cravatt教授进一步强调,非正构位点和隐蔽变构口袋是共价化学最有潜力拓展的空间之一。其团队利用立体选择性探针发现了大量位于转录因子、RNA结合蛋白、接头蛋白等传统意义上难成药蛋白中的反应位点,并观察到这些配体能够通过分子夹持、稳定蛋白复合物、破坏动态相互作用或在复合物形成后才发生结合等方式调节功能。报告中以TOE1-Sm复合物为例,说明共价配体既可能造成类似功能缺失的“under-trimming”,也可能造成类似功能获得的“over-trimming”,提示同一个非正构位点可以通过细微化学差异产生双向功能效应。
在问答中,Cravatt教授谈到AI结构预测在共价配体设计中的机会与局限:现有模型对正构口袋和PDB中常见结合模式更敏感,但对于动态、隐蔽、非正构口袋仍容易误判,因此未来仍需要ABPP等实验平台来发现并校正这些药物发现空间。
Benjamin F. Cravatt博士做报告
第二位报告人Fleur Ferguson教授聚焦靶向蛋白降解(targeted protein degradation, TPD)和诱导邻近体系中的动力学设计。她指出,双功能降解剂的效果不仅取决于目标蛋白和E3连接酶能否被同一个小分子带到一起,也取决于二元结合、三元复合物形成、复合物解离和泛素化速率是否处在合适时间尺度内。
Ferguson教授团队利用可逆、可逆共价和不可逆共价等一组配体,系统调节小分子在激酶靶点上的停留时间,并结合全局蛋白质组学、IP/MS、NanoBRET靶点占有、洗脱动力学和E-STUB(E3-substrate tagging by ubiquitin biotinylation)泛素化读出,建立实验验证的数学模型。该模型将降解体系分为三类情形:有些靶点受三元复合物形成限制,有些处于中间稳定性最有利的窗口,还有一些因为泛素化速率太慢,只有非常稳定甚至近似共价的复合物才能跨过有效泛素化阈值。
在具体案例中,Ferguson教授展示了仅改变配体停留时间就能显著改变降解选择性:可逆化合物与共价化合物的靶点谱可能几乎不重叠,而停留时间相近的分子才更容易呈现相似靶点空间。她还提到AAK1等三元复合物形成受限的蛋白,以及CAMKK1这类需要中间稳定性的例子,说明“越稳定越好”并不是普遍规律。
对于药物化学设计而言,这一结果的重要意义在于,共价降解剂不一定是最终药物形态,也可以作为机制诊断工具:如果共价或长停留时间分子明显改善降解,说明当前体系可能受复合物寿命或泛素化速率限制;如果药物开发团队不希望在靶点端保留共价机制,也可以据此反向优化连接臂、E3配体或目标蛋白结合模块。
在问答中,Ferguson教授还讨论了把共价作用放在E3连接酶端的潜在优势与风险,指出这可能提高E3占有和底物招募,但也需要关注内源底物、剂量窗口以及目前选择性共价E3配体工具箱仍有限的问题。
Fleur Ferguson博士做报告
第三位报告人王磊教授介绍了面向共价蛋白药物的邻近使能生物反应(proximity-enabled bioreactivity)策略。他首先回顾了生物正交化学在共价修饰中的贡献,同时指出治疗场景中通常无法预先改造天然靶蛋白,因此需要一种只改造药物本身、却能与未改造靶标形成共价键的方法。
王磊教授提出,将潜伏反应性非天然氨基酸通过遗传密码扩展嵌入蛋白药物,当药物与靶蛋白结合后,局部邻近效应激活反应,从而实现对天然靶蛋白的选择性不可逆交联。他重点介绍了含芳基氟硫酸酯的FSY非天然氨基酸及其在活细胞中与赖氨酸、组氨酸或酪氨酸形成选择性不可逆交联的能力,并将这一技术延伸为共价蛋白治疗平台PERx。此前该策略已被用于增强免疫检查点阻断、SARS-CoV-2中和和靶向放射性核素治疗等场景。
本次报告中,王磊教授重点展示了共价作用在“空间控制”中的用途,而不仅是提高药效。他提出CATIPs(covalently anchored tumor immunotherapeutic proteins)概念:将EGFR靶向纳米抗体、FSY共价锚定模块和免疫刺激负载组合起来,使CD3 engagement、CD80共刺激和Neo-2/15细胞因子支持等信号被固定在肿瘤细胞表面。
体外实验显示,FSY版本的CATIPs在洗涤后仍能保留于A431肿瘤细胞表面,并持续诱导肿瘤杀伤和T细胞活化,而非共价对照则明显流失。体内模型中,CATIPs在注射肿瘤局部富集并形成EGFR交联,在高剂量或低剂量多次给药后均表现出强抗肿瘤作用;与可扩散的非共价蛋白或阳性对照相比,CATIPs较少影响远端EGFR阳性替代肿瘤,系统性T细胞激活、细胞因子升高和GVHD样毒性也更低。随后在免疫完整的B16F10-OVA模型中,局部共价锚定还显示出诱导抗原匹配远端肿瘤控制的潜力。王磊教授在问答中也指出,未来共价蛋白药物需要继续解决生产、储存过程中潜在交联、反应性与稳定性平衡、脱靶反应和给药方式等转化问题。
王磊博士做报告
最后,党波波研究员报告了课题组工程化快速作用共价蛋白药物的策略。他从蛋白药物普遍依赖可逆高亲和力结合出发,提出共价作用有望突破亲和力上限,尤其适用于表位面积有限、难以通过传统抗体工程获得极高亲和力的跨膜蛋白靶点。
党波波研究员指出,蛋白药物在体内常常面临“动力学不匹配”:许多小型蛋白或纳米抗体药代窗口很短,如果靶上共价交联速度不够快,药物尚未充分占有靶点就已经被清除,疗效难以体现。因此,其团队将酵母展示与蛋白表面化学修饰结合,在纳米抗体上系统筛选反应基团、连接臂几何构型和邻近氨基酸序列,以保持弹头本征反应性较低的同时显著提高靶上交联速率。报告中以PD-L1靶向共价拮抗剂IB101为例说明,该分子能够在较低浓度下快速实现细胞表面近乎完全的靶点占有,并且单个组氨酸位点突变即可消除共价结合,证明该反应具有较高空间精确性。
结构研究显示,小分子交联臂位于两个蛋白界面的狭窄缝隙中,符合其通过界面预组织化来提高反应速率的设计思想。尽管IB101本身药代半衰期较短,但由于共价结合带来更持久的药效作用,在MC38和B16等肿瘤模型中表现出优于或可比于已获批抗体的抗肿瘤活性,并能增强抗原特异性T细胞、细胞毒性T细胞和NK/T细胞相关免疫反应。党波波研究员同时展示了药物在肿瘤中的快速富集和长时间滞留,以及血浆和体内脱靶交联检测结果,强调该策略的关键不是提高弹头的非特异反应性,而是通过结合界面的几何和序列工程,让反应只在正确靶点上快速发生。在问答中,他还讨论了从头设计蛋白、糖链靶向和不同交联臂取向/长度筛选等问题,认为若能解决免疫原性和转化验证,共价蛋白策略仍有较大的拓展空间。
党波波博士做报告
本次研讨会从小分子到生物制剂系统展示了共价化学在药物发现中的多层价值:它可以作为探索蛋白质组隐蔽可成药空间的工具,可以作为解析诱导邻近机制的动力学探针,也可以作为提高蛋白药物空间控制、靶点占有和体内药效的工程策略。四位报告人的工作共同表明,未来共价药物设计的重点将不只是寻找更强的反应基团,而是在具体生物场景中精确调控反应发生的时间、位置和对象。只有当反应性、结合选择性、体内分布、停留时间和安全窗口被统一考虑时,共价作用才真正能够从化学概念转化为更可预测、更安全、更具转化潜力的治疗模式。
嘉宾及主持人讨论
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文章来源 / 党波波团队
编辑 / 张玉璇
校对 / 徐双飞
审核 / 谢文海