Bropirimine

总结介绍了微扰蛋白质组学的合理性、必要性和实用性。生物系统受到多种生物、化学和/或物理因素的扰动，蛋白质组学测量不同层面的变化，包括蛋白质表达和周转的变化、翻译后修饰、蛋白质相互作用、运输和定位，以及表型数据。计算模型采用传统的机器或深度学习方法，识别或预测扰动响应、作用机制和蛋白质功能，帮助选择疗法、设计化合物和优化实验设计。提议通用的PMMP（扰动、测量、建模到预测）流程，基于大规模的微扰蛋白质组学数据构建基础或合适的数学模型。最后对比了人工和自然扰动系统的建模，强调了微扰蛋白质组学在推进理解生物系统和预测建模方面的重要性。微扰蛋白组图1 微扰蛋白质组学的PMMP流程。涉及多种方法（如基因编辑、微生物感染、药物处理和物理干预如光、温度、辐射）扰动各种生物系统（包括细胞、细胞器、组织和动物模型）。然后分析系统的表型属性和蛋白质水平特征的动态变化。蛋白质水平的测量涵盖广泛的范围，从对目标蛋白的直接影响、蛋白质-蛋白质相互作用和蛋白质定位的变化、翻译后修饰和蛋白质周转的变化，到网络中的广泛下游修饰。基于评估构建机器学习模型，预测蛋白质功能、作用模式和系统对扰动的响应。预测能力对设计精确的治疗干预措施和规划系统生物学研究中的协同实验方法至关重要。测量蛋白和表型图2 PMMP流程中基于质谱的蛋白质水平测量。通常在体外细胞系、离体组织或体内模型中扰动后测量。可在细胞裂解液中进行扰动后的靶标鉴定。(A) 直接靶标鉴定。药物孵育可采用多种方法，如CCCP、ABPP、TPP和LiP-MS。CCCP和ABPP利用药物-靶标竞争来鉴定靶标蛋白，而TPP和LiP-MS则利用温度变化和药物-靶标结合后的非特异性蛋白酶切割引起的靶标蛋白稳定性变化。最终质谱对药物处理样本和对照样本之间的差异蛋白质定量来鉴定潜在的药物结合靶标。(B) 药物-蛋白相互作用分析。研究技术包括：(1) 基因标记或可用抗体对目标蛋白亲和纯化；(2) 目标蛋白的酶遗传标记进行邻近标记和邻近蛋白的纯化；(3) 交联剂交联肽定量检测相互作用拓扑结构；(4) 共分离技术全局相互作用组研究，利用属于同一复合物的蛋白质具有相似迁移谱的特点。(C) 下游改变研究。主要依赖于各种定量方法，包括蛋白质丰度定量、富集后的翻译后修饰(PTM)定量、同位素标记脉冲追踪实验研究蛋白质合成和降解、超速离心分离细胞器后蛋白质定量以表征蛋白质定位、单细胞蛋白质组学研究（细胞分选分离单个细胞）、以及激光捕获显微切割(LCM)和膨胀显微镜等空间蛋白质组学研究（用于组织切片）。参考[1] Cell Genom. 2024 Oct 24:100691. doi: 10.1016/j.xgen.2024.100691

共价药物凭借其独特的优势，如高效力、作用持续时间长以及能够靶向传统上“不可成药”的靶点，正日益受到关注。本文将梳理当前共价药物的格局，包括主要的蛋白靶点、已获批的药物实例以及处于临床开发阶段的候选药物。同时，我们也深入分析了共价药物开发面临的持续挑战，例如脱靶反应、潜在毒性以及耐药性问题。尤为重要的是，此处我们将详细分析靶向非半胱氨酸氨基酸（如丝氨酸、酪氨酸、赖氨酸、精氨酸、组氨酸和天冬氨酸）的可行性，并阐明了推动这一领域发展的创新弹头化学和计算化学蛋白质组学方法。最后，报告展望了共价药物发现的未来趋势，包括可逆共价抑制剂和分子胶等新兴模式的发展 ，强调了该领域正朝着更精准、更具选择性且适用范围更广的治疗干预方向迈进。1. 共价药物发现导论 共价抑制的定义与机制 共价抑制剂是一类独特的药物小分子，它们通过形成强效且通常不可逆的化学键与生物靶点（通常是蛋白质）结合。这种共价连接从根本上改变了靶点的功能，从而产生持久的药理活性。其作用机制通常涉及药物分子上的亲电“弹头”与靶蛋白上的亲核氨基酸残基发生反应。这种相互作用通常发生在酶的活性位点，导致酶的失活。在共价药物设计中，一个关键的演变是“靶向反应性”概念的引入。传统上，共价结合曾因其非特异性反应和潜在毒性而受到质疑。然而，现代共价药物设计已经取得了显著进展。靶向反应性将共价抑制过程视为一个两步机制：首先，药物分子上的可逆结合部分（通常称为“引导系统”）以高亲和力与靶点结合，将相对低反应性的亲电弹头精确地定位在靶点的结合口袋内。这种预组织和诱导邻近效应使得弹头仅在靶点特异性微环境中才表现出有效的反应性，从而选择性地形成共价键。这种从普遍反应性到受控的、情境依赖性反应性的转变，是共价药物领域复兴的核心，显著增强了药物的选择性并减少了脱靶效应。 共价药物的历史背景与复兴 共价药物拥有悠久而成功的历史，早期的例子如阿司匹林（通过乙酰化环氧合酶-2的Ser530发挥作用）和青霉素（靶向细菌转肽酶中的丝氨酸），这些药物都是在一个多世纪前偶然发现的。尽管早期取得了这些成功，但由于对永久性蛋白质修饰相关的安全性问题（特别是脱靶效应和相关毒性）的担忧，制药行业在几十年里普遍避免了刻意设计共价化合物。然而，近年来，随着对化学生物学更深入的理解以及一些理性设计的共价药物在临床上展现出高特异性和良好治疗效果，共价药物领域出现了显著的复兴。这种复兴标志着该领域从偶然发现转向了更复杂、更理性的设计方法。这种转变得益于结构生物学、计算化学和化学蛋白质组学等领域的进步，这些技术使得研究人员能够有目的地设计出高度靶向的疗法。索托拉西布（Sotorasib）等现代共价药物的成功  证明了共价药物的优势（高效力、持久作用）可以在有效控制风险的情况下实现，从而消除了长期以来的担忧，并验证了理性设计原则的有效性。 共价药物的优势（效力、作用持续时间、选择性、“不可成药”靶点） 共价药物因其独特的药理学特性而具有显著优势：●    高效力： 共价药物通过与靶点形成强效的、不可逆或准不可逆的键，能够实现极高的效力，通常只需低分子量化合物即可。这使得即使在相对较低的药物浓度下，也能实现靶点的完全占据。●    作用持续时间长： 稳定共价键的形成意味着药物的药理作用可以超越其全身药代动力学半衰期，因为靶点的功能只有在其重新合成后才能恢复。这种药效学（PD）与药代动力学（PK）的“解耦”是一个显著的优势。例如，奥美拉唑（omeprazole）的半衰期很短，但其疗效持久，正是因为其共价作用机制。这种基本优势为追求共价策略提供了强有力的理由，尤其适用于需要持续抑制的靶点。●    增强的选择性： 通过理性设计，共价药物能够高度选择性地靶向蛋白质结合位点内特定的、通常是非保守的亲核残基。与仅依赖可逆相互作用的非共价抑制剂相比，这可以降低脱靶效应的风险。●    靶向“不可成药”靶点： 共价修饰已成为靶向那些因其结构、功能或动态特性而历史上难以用传统药物或治疗策略靶向的蛋白质或生物途径的变革性策略。这包括那些细胞内天然配体浓度很高（例如KRAS G12C）的靶点。 2. 共价药物开发的当前格局  2.1. 共价修饰的关键药物靶点 共价修饰策略对于解决那些因其固有特性而历史上被认为“不可成药”的靶点至关重要。●    主要蛋白质类别：○    蛋白激酶： 蛋白激酶是共价抑制剂的主要靶点类别，包括表皮生长因子受体（EGFR）、布鲁顿酪氨酸激酶（BTK）和JAK3等众多实例。共价抑制剂通过靶向激酶高度保守的ATP结合口袋内非保守的半胱氨酸残基，可以实现高选择性。BTK抑制剂共价结合机制○    RAS蛋白： 历史上被认为是“不可成药”的KRAS G12C和KRAS G12D突变，现在已成功被索托拉西布（Sotorasib）和RMC-9805等共价抑制剂靶向。这一成功尤为值得关注，因为它克服了由高细胞内天然配体（GTP/GDP）浓度造成的挑战，这些天然配体通常会与可逆抑制剂竞争。共价化合物通过形成不可逆键，有效地将靶点锁定在非活性状态，使其免受高浓度天然配体的竞争，从而将以前“不可成药”的靶点转化为可行的治疗机会。KRAS G12C 抑制剂Sotorasib○    蛋白酶： 病毒蛋白酶，如HCV蛋白酶和SARS-CoV-2主蛋白酶，也已成功被共价抑制剂靶向。DPP4共价药物axagliptin结构○    其他酶： 其他多种酶，包括COX-2、DPP-4和蛋白酶体，也易受共价抑制。 DPP4共价药物axagliptin通过Ser630形成共价结合晶体结构2.2. 最新进展与已批准的共价药物 近年来，共价药物候选物进入临床试验的数量显著增加。目前市场上已有许多FDA批准的共价药物，涵盖了肿瘤学和感染性疾病等多个治疗领域。一些共价靶向分子共价药物发现的轨迹，从阿司匹林和青霉素的偶然发现 到索托拉西布和伊布替尼等高度特异性现代药物的理性设计 ，标志着该领域的深刻成熟。这种演变不仅仅是时间上的推进，更反映了对靶点生物学、蛋白质结构和亲电化学的更深入科学理解。能够有目的地设计出选择性结合并与特定残基反应的分子 ，表明了前所未有的控制水平，从而将共价药物发现转变为一个稳健且可预测的领域。表1：主要FDA批准的共价药物及其靶点 药物名称批准年份靶点蛋白靶向氨基酸弹头类型治疗领域阿司匹林1899COX-2Ser530乙酰化抗炎青霉素1940s细菌转肽酶丝氨酸β-内酰胺抗生素卡非佐米2012蛋白酶体环氧化物环氧化物癌症阿法替尼2013EGFRCys797α,β-不饱和羰基非小细胞肺癌伊布替尼2013BTKCys481α,β-不饱和羰基淋巴瘤、白血病奥希替尼2015EGFRCys797α,β-不饱和羰基非小细胞肺癌奈拉替尼2017EGFR-α,β-不饱和羰基乳腺癌达克替尼2018EGFR-α,β-不饱和羰基非小细胞肺癌泽布替尼2019BTKCys481α,β-不饱和羰基淋巴瘤、白血病沃塞洛托2019血红蛋白-醛镰状细胞病索托拉西布2021KRAS G12CCys12α,β-不饱和羰基非小细胞肺癌奈玛特韦2021SARS-CoV-2-腈抗病毒（COVID-19）利特西替尼2023JAK3Cys909（未指定）斑秃萨格列汀(2009)DPP-4Ser630羰基2型糖尿病2.3. 临床开发中的共价药物候选物 共价药物的研发管线充满活力，有多个创新候选药物目前处于不同的临床试验阶段，特别是I期临床。●    精选临床候选药物实例：○ BBO-10203 (BridgeBio Oncology Therapeutics)： 一种潜在的首创PI3Kα:RAS相互作用抑制剂。它共价结合PI3Kα的RBD中的Cys242，阻断与所有RAS异构体的相互作用，同时保留PI3Kα激酶功能，从而最大限度地减少传统PI3K抑制剂观察到的高血糖等不良反应。目前处于晚期实体瘤的I期临床试验中。○    BBO-8520 (BridgeBio)： 一种选择性共价KRAS(G12C)抑制剂，其独特之处在于靶向蛋白质的(ON)状态。这种方法旨在为KRAS(G12C)驱动的癌症带来更大的临床益处，包括克服当前的治疗耐药性。目前处于晚期非小细胞肺癌的I期临床试验中。○    RMC-9805 (Revolution Medicines)： 一种首创的共价KRAS(G12D)(ON)分子胶抑制剂。它利用亲环素A (CypA) 招募的三元复合物机制，结合精细调谐的氮丙啶共价手柄，抑制先前“不可成药”的KRAS(G12D)突变体。结构和建模的见解对于靶向亲核性较差的突变天冬氨酸至关重要。它还能与PD-1抑制剂协同作用，并在临床上取得进展。分子胶抑制剂的出现，如RMC-9805，代表了共价药物设计的一个重大概念飞跃。这不仅仅是抑制酶的活性位点，而是诱导或稳定蛋白质-蛋白质相互作用（PPIs）或促进靶向蛋白质降解（例如，PROTACs）。这使得共价化学的治疗潜力超越了传统的抑制作用，允许调节复杂的生物网络，并解决那些不适合简单活性位点阻断的靶点。通过这种机制靶向“亲核性差的突变天冬氨酸”的能力  进一步突显了该领域的尖端性。○    VVD-214/RO7589831 (Vividion Therapeutics/Roche)： 一种口服共价、可逆、变构WRN解旋酶抑制剂。通过Vividion的化学蛋白质组学平台发现，正在开发用于微卫星不稳定性或错配修复缺陷的肿瘤。目前处于I期临床试验中。表2：临床试验中的精选共价药物候选物 药物名称机制/靶点靶向氨基酸（如果指定）当前临床阶段治疗领域关键差异化特征BBO-10203PI3Kα:RAS相互作用抑制剂Cys242I期肿瘤学（实体瘤）阻断RAS相互作用，同时保留PI3Kα激酶功能，避免高血糖BBO-8520KRAS(G12C)抑制剂（未指定）I期肿瘤学（非小细胞肺癌）靶向KRAS(ON)状态，克服耐药性RMC-9805KRAS(G12D)分子胶抑制剂突变天冬氨酸（Asp12）临床进展中肿瘤学首创分子胶，利用CypA招募，靶向难成药的Asp突变体VVD-214/RO7589831WRN解旋酶抑制剂（未指定）I期肿瘤学可逆共价，变构抑制剂，通过化学蛋白质组学发现 3. 共价药物发现的挑战 3.1. 脱靶反应与选择性问题在共价药物设计中，一个主要挑战是实现卓越的靶点特异性，同时最大限度地减少与脱靶蛋白的非预期相互作用。弹头必须遵循“金发姑娘原则”：其反应性必须恰到好处，既要足够活跃以在形成复合物后与靶点形成键，又不能过于活跃以至于在非结合状态下与其它蛋白质或功能基团发生非特异性结合。高强度、不受控制的反应性可能导致“脱靶”毒性。共价药物结合的不可逆性  加剧了脱靶效应的风险。与可逆抑制剂不同，脱靶结合是瞬时的，而共价键即使与非预期靶点形成，也可能导致持久且潜在有害的影响。这使得共价药物的选择性挑战尤为严峻，因为即使是低亲和力的脱靶相互作用，如果导致不可逆修饰，也可能变得问题重重。这突显了对高度选择性弹头和化学蛋白质组学工具（如活性探针蛋白质组学，ABPP）的迫切需求，以识别和降低此类相互作用的风险。 3.2. 毒性与免疫原性由于永久性蛋白质修饰带来的安全性问题，共价药物的开发在历史上一直受到阻碍。共价结合的不可逆性可能导致特异性毒性，尽管较低的给药剂量可能有助于减轻这种风险。共价药物的一个显著且独特的担忧是潜在的半抗原化（haptenization）作用，即药物-蛋白质加合物作为新抗原，触发免疫反应。这可能导致迟发性或全身性免疫相关不良反应，即使最初的脱靶结合并未直接对蛋白质功能产生毒性。半抗原化引入了共价药物毒性中一个独特而复杂的层面，超越了直接的药理作用。这意味着共价键本身，或由此产生的药物-蛋白质加合物，可能被免疫系统识别为异物，从而引发不必要的免疫反应。这是共价药物特有的风险因素，需要在临床前和临床开发阶段进行严格的免疫原性评估，并可能影响弹头化学和靶向残基的选择，以最大限度地减少此类事件。 3.3. 药代动力学限制尽管共价药物具有药效学优势，但其开发可能受到药代动力学限制的阻碍，包括低生物利用度、快速代谢以及在到达目标靶点前因脱靶结合而产生的全身毒性。弹头固有的反应性，虽然是靶点结合所必需的，但也可能导致其在生物系统中的降解或非特异性反应。共价药物设计中存在一种固有的张力：共价键形成所需的反应性，可能导致药代动力学性能不佳。聚合物纳米颗粒正在被积极探索作为解决这些限制的潜在策略，它们在药物溶解度、渗透性、延长作用时间、通过被动靶向（例如，在癌组织中）增强选择性以及控释方面具有优势。这些先进的药物递送系统旨在保护反应性弹头，提高其全身稳定性，并促进靶向递送，从而使药物以有效浓度到达预期靶点，同时最大限度地减少全身循环中的过早降解或脱靶反应。 3.4. 耐药机制 与其他靶向疗法类似，共价抑制剂也容易产生耐药性，这主要是由于靶向氨基酸残基的突变。此类突变会改变靶蛋白的结构，从而降低药物的结合亲和力并影响其长期疗效。具体的耐药机制包括亲核残基本身的突变、结合位点的空间阻碍或靶点亲核特性的降低。靶向共价抑制剂对特定（通常是单一）氨基酸残基的依赖性 使得它们特别容易产生耐药性。如果这个关键残基发生突变，药物的效力可能会受到严重损害。这意味着未来的设计策略可能需要考虑靶向更保守的残基、设计多模式抑制剂以结合多个位点，或开发对单点突变不那么敏感的抑制剂，以增强长期治疗效益。例如，基于乙二醛的靶向共价抑制剂（TCIs）在靶向ALK激酶（G1202R）等获得性耐药突变体方面的潜在应用 ，表明研究人员正在积极探索克服这一挑战的方法。 3.5. 动力学评估的复杂性 共价抑制剂的精确动力学评估比传统可逆抑制剂更复杂、更困难。传统的IC50值等衡量标准对于共价抑制剂通常不足甚至具有误导性；相反，需要诸如完全失活速率（kinact）和失活常数（KI）等参数来准确衡量其活性。抑制过程通常是一个两步机制：首先是可逆的非共价结合（EI复合物），随后是较慢的、不可逆的反应，形成共价修饰的“死胡同复合物”（EI*）。共价抑制剂的动力学行为与可逆结合剂有着根本区别，因为它涉及一个两步过程。这意味着初始的非共价结合亲和力（定位弹头）和随后的共价键形成速率都对整体抑制效果有贡献。这种复杂性需要专门的动力学模型和测量方法（kinact/KI），这些方法超越了简单的IC50值，因为IC50值可能不足甚至具有误导性。此外，“慢结合”可逆抑制剂表现出与共价抑制剂相似的动力学特性 ，这强调了需要严格的机制表征来真正区分和理解其作用模式。对动力学的这种更深入理解对于准确的药物开发和监管评估至关重要。潜在的共价反应活性氨基酸结构特征4. 靶向非半胱氨酸氨基酸的可行性  4.1. 扩展靶向范围超越半胱氨酸的理由 ●    半胱氨酸的局限性： 尽管半胱氨酸因其高亲核性（硫醇基团）及其在功能性口袋中的定位而成为共价药物发现中最常见和成功的靶点 ，但其在人类蛋白质组中的相对低丰度（仅占氨基酸的1.7%）显著限制了可成药蛋白质的整体范围。并非每个蛋白质口袋都包含可用的半胱氨酸。●    扩展可成药蛋白质组： 为了拓宽共价药物开发的靶点范围，人们对探索和靶向其他亲核氨基酸（包括丝氨酸、酪氨酸、赖氨酸、精氨酸、组氨酸和天冬氨酸）抱有浓厚兴趣并正在积极研究。●    氨基酸微环境与pKa对反应性的影响： 氨基酸残基的pKa是其亲核性的关键决定因素，因为它控制着去质子化以形成反应性阴离子物种（例如，半胱氨酸的硫醇盐，酪氨酸的酚盐，赖氨酸的去质子化胺）。至关重要的是，局部蛋白质微环境可以显著影响氨基酸侧链的pKa，从而调节其有效亲核性以及与亲电试剂发生修饰的倾向。例如，埋藏的赖氨酸残基可以表现出pKa的显著降低，使其比溶剂暴露的赖氨酸更具亲核性。●    邻近诱导生物反应性： 对于内在亲核性较低的残基，“邻近诱导生物反应性”的概念至关重要。该原理指出，抑制剂上的弱亲电基团只有在通过初始非共价相互作用精确地定位在结合口袋内时，才能选择性地与亲核残基反应。这种预组织可以通过创造有利的微环境（例如，通过降低其pKa或将其优化定向以进行攻击）来有效地“激活”反应性较低的亲核基团。对氨基酸pKa和微环境  的讨论表明，非半胱氨酸残基的共价药物设计不仅仅是为弱亲核氨基酸寻找强亲电试剂。相反，它强调了局部蛋白质环境和“引导系统”对弹头的精确定位  对于诱导或增强反应性至关重要。这意味着即使是具有高固有pKa值（如赖氨酸）或空间位阻（如酪氨酸）的残基，如果结合口袋能够创造一个降低其pKa或通过邻近和最佳取向促进亲核攻击的微环境，它们也可以变得“可成药”。这种复杂的理解使得研究人员能够理性设计针对更广泛靶点的高度选择性共价抑制剂。 4.2. 靶向丝氨酸（Ser） ●    化学反应性： 丝氨酸具有一个羟基，可以作为亲核基团，特别是在催化三联体中被激活时（例如，丝氨酸水解酶）。其亲核性可被周围的蛋白质微环境显著增强。●    弹头类型： 常见的反应性官能团包括氟磷酸酯 、O-芳基氨基甲酸酯、1,2,3-三唑脲、N-酰基吡唑脲/氨基甲酸酯以及磺酰氟。含三氟/二氟酮的抑制剂可以与丝氨酸形成四面体加合物。●    已批准药物与临床应用：○    阿司匹林： 一个经典例子，它共价乙酰化环氧合酶（COX-2）中的非催化丝氨酸残基（Ser530），抑制前列腺素合成并发挥抗炎作用。○    β-内酰胺抗生素（例如青霉素）： 它们靶向细菌转肽酶（青霉素结合蛋白）的催化丝氨酸残基，干扰细菌细胞壁合成。○    萨格列汀（Saxagliptin）： 一种二肽基肽酶4（DPP-4）的可逆共价抑制剂，通过Ser630作用，用于治疗2型糖尿病。○    阿司匹林靶向非催化丝氨酸  而青霉素靶向催化丝氨酸  的例子，展示了丝氨酸导向共价化学的广泛适用性。这表明丝氨酸的共价修饰不仅限于传统的酶活性位点，还可以通过变构位点或结构修饰来调节蛋白质功能。这种多功能性显著扩展了蛋白质潜在的“可成药”表面，从而实现了超越直接酶抑制的更多样化治疗策略。 4.3. 靶向酪氨酸（Tyr） ●    化学反应性： 酪氨酸（其酚羟基的pKa约为10）在人类蛋白质组中比半胱氨酸更丰富（占3.2%）。然而，由于其酚羟基的刚性和空间位阻特性，靶向酪氨酸通常具有挑战性。它通常比半胱氨酸或丝氨酸的反应性低。●    弹头类型：○    硫(VI)-氟化物弹头（磺酰氟(-SO2F)和氟磺酸酯(-OSO2F)）： 这些弹头对酪氨酸表现出显著的反应性，并且可以调节其水解稳定性。○    磺酰唑（SufAz）弹头： 这些被认为是高度酪氨酸选择性的骨架，具有可调性和稳定性。○    曼尼希型弹头： 三组分（原位亚胺缩合）和两组分（预合成稳定环状亚胺）策略均已探索。○    三唑二酮（TAD）弹头： 对酪氨酸和色氨酸显示出高选择性，尽管水溶液稳定性可能是一个挑战。●    应用： 酪氨酸靶向亲电试剂对于研究和调节蛋白质-蛋白质相互作用（PPIs）特别有价值，因为酪氨酸残基在蛋白质-蛋白质界面上大量存在，并且其磷酸化在调节PPIs中起着关键作用。例子包括靶向Ral GTP酶中的Tyr82  和SIRT5中的Tyr102。●    调节蛋白质-蛋白质相互作用： 靶向酪氨酸以调节蛋白质-蛋白质相互作用  代表了共价药物应用的一个显著扩展。PPIs因其大、平坦且通常动态的界面而成为传统小分子难以靶向的靶点。酪氨酸残基在界面上的共价修饰可以有效地“锁定”或破坏相互作用，提供一种强大而持久的机制来调节复杂的生物网络，这些网络在其他情况下被认为是“不可成药”的。这超越了简单的酶抑制，达到了更复杂的生物控制水平。 4.4. 靶向赖氨酸（Lys） ●    化学反应性： 赖氨酸在人类蛋白质中含量丰富（占氨基酸的6.0%），通常具有相对较低的突变率，使其成为一个有吸引力的靶点。虽然游离赖氨酸的pKa（10.4）意味着其在生理pH下大部分被质子化，但其pKa在蛋白质的微环境中可能显著变化，当埋藏时会增加其亲核性。●    弹头类型：○    醛： 可与赖氨酸形成醛亚胺，但水溶液中的稳定性可能是一个问题。基于水杨醛的合成醛弹头正在开发中。○    迈克尔受体： 虽然主要靶向半胱氨酸，但优先定向的迈克尔受体（例如，丙烯酰胺、乙烯基砜、乙烯基磺酰胺）也可以结合赖氨酸。乙烯基砜和磺酰胺与N-α-乙酰-L-赖氨酸的反应速度比与谷胱甘肽（GSH）快。○    活化酯（例如，N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）酯）： 有效标记N端游离氨基和赖氨酸残基，但混杂性和水解可能带来挑战。○    N-酰基-N-烷基磺酰胺（NASA）弹头： 作为赖氨酸反应性酰基供体发挥作用。○    方酸酯、方酰胺酸酯和方酰胺弹头： 表现出温和的反应性，可用于生物分子偶联。○    硫(VI)-氟化物弹头（磺酰氟和氟磺酸酯）： 可与赖氨酸反应。○    磺酰唑（SufAz）弹头： 也可以修饰赖氨酸，其反应性可通过特定的离去基团增强。●    应用： 赖氨酸经历多种翻译后修饰（PTMs），这些修饰对细胞生物学至关重要，包括信号转导。靶向赖氨酸提供了一种干扰或模拟这些PTMs的方式。例子包括NU6300靶向CDK2的Lys89  以及ATP/ADP-脱硫生物素探针靶向ATP结合位点中保守的赖氨酸用于激酶谱分析。●    调节翻译后修饰： 赖氨酸的高丰度及其广泛参与各种翻译后修饰（PTMs） 使其成为一个特别重要的靶点。赖氨酸的共价修饰提供了一种独特的策略，可以直接干扰或模拟这些关键的PTMs（例如，乙酰化、甲基化、泛素化），这些PTMs在调节蛋白质功能、信号转导和基因表达中起着关键作用。这为治疗干预开辟了新的途径，允许调节通常在疾病中失调的复杂细胞过程，从而超越了简单的酶抑制，达到了更复杂的生物控制水平。 4.5. 靶向精氨酸（Arg） ●    化学反应性： 精氨酸约占人类蛋白质组的3.9%。然而，其胍基通常表现出低亲核性和对化学氧化的抵抗力，使得直接共价修饰具有挑战性。●    新兴弹头： 最近的突破集中于乙二醛基化学（例如，α,β-二酮酰胺基）以克服精氨酸的低反应性。●    最新突破与应用： 最近的研究报道了成功的基于乙二醛的、精氨酸反应性策略，用于生成有效且选择性的小分子靶向共价抑制剂（TCIs）。例子包括：○    靶向Mcl-1（一种重要的抗凋亡蛋白）中保守的精氨酸（R263）。○    靶向AURKA（一种癌症相关激酶）中溶剂暴露的精氨酸（R220）。○    这些化合物显示出效力、选择性、细胞活性和长驻留时间，表明成功地共价结合了内源性蛋白质。○    该策略还显示出靶向获得性耐药突变体（如ALK激酶（G1202R），其通常涉及精氨酸突变）的潜力。○    成功靶向精氨酸，尽管其“亲核性差”，代表了共价药物设计中的一个重大化学突破。这意味着需要开发高度专业化的弹头化学，例如基于乙二醛的化合物 ，它们能够有效地与反应性较低的亲核基团反应。这种成功可能依赖于精细调谐的结合位点几何结构和/或诱导契合机制，这些机制能够瞬时增强精氨酸的反应性，从而将“可成药”空间扩展到以前被认为难以进行共价修饰的氨基酸残基。靶向ALK激酶（G1202R）等耐药突变体的能力进一步突显了这一进展的治疗影响。 4.6. 靶向组氨酸（His） ●    化学反应性： 组氨酸在蛋白质结合位点中频繁出现，其咪唑侧链具有理想的亲核性，特别是在生理pH下未质子化时。与赖氨酸相比，其侧链的柔性较低，这有助于亲电试剂在结合口袋内的适当并置。研究发现，它与某些弹头的反应性与丝氨酸相当。●    弹头类型： 芳基氟磺酸酯 、2-环己烯酮衍生物、卤代烷（优选氯衍生物）、磺酰氟、α-氰基烯酮和环氧化物。●    应用： 最近的报告展示了组氨酸共价剂的理性设计，包括：○    靶向Mcl-1的His224的BH3模拟物。○    设计用于位点选择性修饰沙利度胺结合位点中组氨酸的Cereblon分子胶，采用磺酰基交换化学。○    甲苯磺酰-L-苯丙氨酸氯甲基酮（TPCK）通过与组氨酸残基反应来抑制胰凝乳蛋白酶。●    pH敏感靶向与战略位置： 组氨酸的独特pKa（接近生理pH）意味着其咪唑侧链的很大一部分在生理条件下以未质子化的亲核形式存在。这使其成为一个有吸引力的靶点，尤其是在结合位点中发现时。靶向组氨酸可能提供一种pH敏感的药物作用机制，其中药物的活性可以通过组织或细胞区室（例如，炎症组织、内体）内的局部pH变化来调节，从而实现更复杂的药物活性控制，并可能通过限制在不同pH区域的脱靶效应来增强选择性。其在结合位点中的频繁存在 也使其具有重要的战略意义。 4.7. 靶向天冬氨酸（Asp） ●    化学反应性： 天冬氨酸（和谷氨酸）是羧酸，由于其低pKa（游离Asp约为3.9）和负电荷，在生理条件下通常被认为是弱亲核基团，因此不太容易受到亲电试剂的直接亲核攻击。●    当前状况与有限案例： 尽管有文献提到“活性探针蛋白质组学（ABPs）已开发用于包括天冬氨酸/谷氨酸在内的多种残基”，但与其它亲核氨基酸相比，直接共价修饰天冬氨酸的通用策略或化学方法在药物发现中较为罕见。●    关键突破案例： 一个显著且最近的突破是RMC-9805的设计，这是一种首创的共价KRAS(G12D)(ON)分子胶抑制剂。该化合物被专门设计用于靶向“亲核性差的突变天冬氨酸”（KRAS G12D中的Asp12），这表明即使是传统上非亲核的残基，在特定条件下也可以被靶向，这很可能是通过分子胶策略促进的诱导邻近机制实现的。●    挑战： 天冬氨酸（和谷氨酸）在生理条件下固有的低亲核性仍然是一个重大挑战，需要高度专业化的弹头化学或能够诱导反应性的机制（例如，通过构象变化或在结合口袋内的精确定位）。●    推动药物设计中亲核性边界： RMC-9805成功靶向KRAS(G12D)，特别是通过靶向“亲核性差的突变天冬氨酸”，代表了共价药物设计的尖端进展。天冬氨酸通常不被认为是共价键形成的强亲核基团。这一突破意味着该领域正在推动化学反应性和选择性的边界，可能通过利用分子胶等复杂机制来诱导邻近效应或构象变化，从而瞬时激活甚至非常弱的亲核基团以形成共价键。这是一个高风险、高回报的领域，可能解锁大量以前“不可成药”的靶点。 4.8. 氨基酸靶点的比较反应性与选择性 共价药物设计并非一概而论。相反，它需要高度定制的策略，其中亲电弹头的选择必须精确匹配靶向氨基酸在其独特蛋白质环境中的特定亲核性、可及性和构象动力学。这解释了针对不同氨基酸靶点开发多样化弹头化学（例如，迈克尔受体、磺酰氟、乙二醛）的原因，因为每种弹头都经过优化，以利用特定的化学性质和微环境因素，从而实现选择性共价键的形成。这种弹头与靶残基的复杂匹配是有效且安全地扩展可成药蛋白质组的基础。表3：共价药物设计中亲核氨基酸特性与可靶向性比较5. 未来展望与建议  5.1. 新兴弹头化学 靶向共价抑制剂的“弹头工具箱”正在不断扩展，超越了传统的α,β-不饱和酰胺，涵盖了能够与更广泛的氨基酸残基反应的新型亲电试剂。一个关键趋势是开发“潜在亲电试剂”或内在反应性较低的弹头，它们通过利用特定结合口袋内的邻近诱导反应性来实现高选择性。这些弹头被设计成在遇到靶点的精确微环境之前保持稳定，从而最大限度地减少脱靶反应。例如，具有可调水解稳定性的先进磺酰氟和氟磺酸酯 、用于酪氨酸选择性的磺酰唑（SufAz），以及用于挑战性精氨酸残基的创新乙二醛基化学。未来的研究还将探索与亲电辅因子或翻译后修饰反应的亲核药物，这代表了共价靶向的“反向极性”方法。这种向“智能”弹头的转变，意味着未来的弹头将被设计成在普遍的生物环境中保持稳定，只有当它们精确地定位在靶点的结合位点内，并受到特定的微环境信号（例如，局部pKa变化、催化残基）激活时，才变得具有反应性。这种复杂的设计原则对于实现前所未有的选择性和安全性至关重要，将进一步减轻对混杂反应性的担忧，并扩大可成药靶点的范围。 5.2. 计算设计与化学蛋白质组学的作用 ●    计算设计： 体外方法和先进的计算建模正成为加速共价药物发现不可或缺的工具。它们能够精确预测弹头的反应性（例如，pKa计算、加合物形成的量子力学建模）、结合亲和力以及准确预测结合姿态，这对于理性设计和高通量筛选至关重要。●    化学蛋白质组学（活性探针蛋白质组学 - ABPP）： 化学蛋白质组学方法，特别是与质谱（LC-MS/MS）结合的ABPP，是用于全局评估共价抑制剂选择性、靶点识别和降低脱靶相互作用风险的强大方法。它们允许在复杂的生物系统中对靶点和脱靶结合进行全面分析。●    计算设计和化学蛋白质组学之间的协同作用  形成了一个强大的迭代反馈循环，正在加速共价药物的发现。计算工具可以快速预测并优先选择潜在的弹头-残基相互作用，并设计最佳的结合骨架。化学蛋白质组学则通过在复杂的生物环境中全面分析药物与蛋白质的相互作用来验证这些预测，从而识别脱靶效应并确认靶点结合。这种协同方法通过优化亲和力和反应性来加速发现过程，确保选择性并识别新的可成药位点。 5.3. 可逆共价抑制剂与分子胶 ●    可逆共价抑制剂： 关于共价结合可逆性的争论仍在进行中。可逆共价抑制剂结合了非共价抑制剂（可控性）和不可逆抑制剂（效力）的优势。它们需要精细的调谐以达到合理的治疗指数。例如，萨格列汀（Saxagliptin）是一种可逆共价抑制剂，其抑制持续时间取决于共价复合物的逆反应或水解。这种方法旨在减轻与不可逆抑制剂相关的脱靶风险。●    分子胶（诱导邻近模式）： 分子胶代表了超越传统抑制作用的扩展。共价配体在靶向蛋白质降解（PROTACs）中发挥着关键作用，通过发现600多种E3泛素连接酶的共价招募剂来扩展靶向蛋白质降解。通过共价筛选识别非抑制性、变构配体，具有更广阔的潜力，有助于将酶招募到靶蛋白以实现治疗效益。●    这些治疗模式的扩展，超越了简单的活性位点抑制，转而调节复杂的蛋白质相互作用和降解途径。可逆共价抑制剂在效力和控制之间提供了平衡，而分子胶则实现了新颖的作用机制，解决了以前难以处理的靶点。 5.4. 挑战与机遇并存 尽管共价药物发现取得了显著进展，但挑战依然存在，包括脱靶效应、毒性和耐药性。然而，这些挑战也伴随着巨大的机遇，例如扩展可成药蛋白质组、开发新颖的作用机制以及推动精准医疗。未来的研究和开发将继续关注提高选择性、确保安全性以及克服耐药性。跨学科合作将是推动该领域向前发展的关键。结论 共价药物发现领域已经从偶然发现演变为一个高度理性化和精密的科学领域。共价药物凭借其独特的高效力、持久作用以及靶向传统上“不可成药”靶点的能力，在现代药物化学中占据了核心地位。尽管脱靶反应、毒性和耐药性等固有挑战依然存在，但该领域通过开发新颖的弹头化学、利用先进的计算设计工具以及化学蛋白质组学技术，正在积极应对这些挑战。尤为重要的是，对非半胱氨酸氨基酸（如丝氨酸、酪氨酸、赖氨酸、精氨酸、组氨酸和天冬氨酸）的成功靶向，极大地扩展了可成药蛋白质组的范围。这得益于对氨基酸微环境和pKa对反应性影响的深入理解，以及“邻近诱导生物反应性”等创新策略的应用。可逆共价抑制剂和分子胶等新兴治疗模式的出现，进一步拓宽了共价药物的治疗潜力，使其能够调节复杂的蛋白质相互作用和降解途径。总而言之，共价药物发现正朝着更精准、更具选择性且适用范围更广的治疗干预方向迈进。通过持续的创新和跨学科合作，共价药物有望解决大量未满足的医疗需求，为多种疾病带来突破性的治疗方案。