BRD-810

DOI: 10.1021/acs.chemrev.4c00892侃侃而言  学以致用有许多经过高度验证的癌症靶点一直难以成药或无法成药，这多是因为缺乏能结合小分子的合适的口袋，要么是靶蛋白作为位点大而平坦，要么是作用于蛋白质-蛋白质相互作用界面。而基于片段的药物发现（FBDD）在靶向“不可成药”癌症靶点的应用方面发挥了卓越的作用。近期（Mar. 5)，美国 Vanderbilt 大学 Stephen W. Fesik 在 Chemical Review 上通过案例分享，展现了 FBDD 在发现高亲和力配体及后续药物开发中的关键作用，并汇总了多种常见的优化策略和涉及的检测技术。原文开源，文末点击“阅读原文”可直达原刊。01基于片段的药物发现（FBDD) 1.1   技术起源1996年提出了一种利用核磁共振（NMR）技术识别药物发现起点的优化构效关系（SAR）的策略，通过检测小分子片段（分子量<300）与蛋白结合引起的化学位移变化，识别弱结合片段（mM级亲和力）。理论上，筛选小分子比大分子更容易覆盖广阔的化学空间，并具有更高的配体效率。尽管小分子与蛋白质的相互作用较少，但这些相互作用质量通常较高。此外，小分子相对简单，一般不包含可能干扰与蛋白质结合的其它官能团。然而，由于缺乏稳定复合物形成的相互作用，估计这些小分子片段与蛋白质仅形成弱结合，因此，需要可靠的方法来检测弱结合的配体。 1.2   主要检测技术在 FBDD 技术平台，经常用于检测的技术手段有核磁共振（NMR）、表面等离子共振（SPR）、X-射线晶体学等。其中 NMR 技术是最主要和理想的检测手段，它有多方面的优势：（1）提高准确率：观察同位素标记的蛋白质核磁共振信号，没有背景干扰，能够减少假阳性、以及假阴性信号。（2）确定配体结合位点：片段是否结合靶蛋白，是从配体诱导的化学位移变化中检测到的。如果靶蛋白的化学位移被确定，那么结合位点的位置也就可以确定。（3）确定结合常数：通过化合物位移变化和配体浓度的关系，可以测量结合常数。 1.3   主要片段优化策略为了进一步提高小分子片段的结合亲和力，如上图，有多种优化策略可用。（1）片段链接策略：如上图 a，在确定了第一个配体的情况下，进行第二个位点筛选，将结合于相邻位点的两个片段共价连接，利用协同效应大幅提升亲和力。（2）片段生长策略：如上图 b，逐步扩展片段结构以增强结合力。（3）片段融合策略：如上图 c，合并不同片段的核心结构以优化活性。在过去的 25 年时间里，FBDD 已经用于多种药物靶点的配体发现与优化，并促使 7 种药物获批，超 60 种化合物推进到临床试验阶段。02关键靶点的应用案例 2.1   BCL-2 蛋白家族Bcl-2 家族蛋白通过蛋白质-蛋白质相互作用调节细胞凋亡，曾被认为难以成药。然而，通过片段筛选发现结合Bcl-xL疏水沟的两个片段，经链接优化得到ABT-737（纳摩尔级抑制剂），如下图。进一步开发口服生物可利用的 ABT-263（Navitoclax），但因抑制 Bcl-xL导致血小板减少症，最终推出选择性 Bcl-2 抑制剂 Venetoclax（ABT-199），2016 年获批用于慢性淋巴细胞白血病（CLL）和急性髓系白血病（AML）。MCL-1 也是 Bcl-2 家族成员，它在许多癌症中表达，并使癌细胞避免凋亡，这是一个经过验证的癌症靶点。然而，该靶点与 Bcl-2 家族其它抗凋亡成员一样，也是被认为难以成药的。近些年，也是通过 FBDD 技术，确定了与蛋白质上不同位点结合的两个片段，并采用片段合并策略获得更有效的 MCL-1 抑制剂。然而，由于临床观察到患者心脏毒性，这类抑制剂的发展受到了阻碍或停止。为了既保持抗癌活性，又能避免心脏毒性， MCL-1 抑制剂被设计成半衰期非常短（如 BRD-810），可以在消除心脏毒性的同时诱导肿瘤细胞不可逆的凋亡。 2.2   KRASKRAS 是一种在多种癌症中频繁突变的 GTPase，曾一度作为“不可成药”的代名词。研究人员利用片段筛选和结构基础设计，使用基于 NMR 的片段筛选，识别出与 KRAS 在活性 GTP 和非活性 GDP 结合形式下结合的小分子。通过结构基础设计，优化了与 KRAS-GTP 结合的片段命中，得到了一个与开关 I/II 位点结合、具有纳摩尔亲和力的化合物，该化合物抑制了所有 GEF、GAP 和效应子与 KRAS 的相互作用，并在 KRAS 突变细胞中显示出抗增殖效应。通过 X-射线晶体学研究，如下图，发现这些初始 Hits 结合在开关II 位置，确定结合位点。此外，通过引入半胱氨酸突变体，将近端位点配体共价固定在开关 I/II 位点，进行第二位点筛选，发现了结合到 KRAS 开关 II 位点的命中化合物，并基于此开发了多种 KRAS 共价抑制剂和降解剂，如下图。 2.3   MYCMYC 是一种在大多数癌症中过表达的转录因子，由 N-末端转录激活域、C-末端碱性螺旋亮氨酸拉链 DNA 结合域、以及一个中央区域组成，如下图。MYC也是一个如 KRAS 一般高度验证的靶点，但目前还没有直接靶向 MYC 的小分子药物获批。如上图，研究人员首次利用基于 NMR 的 MYC 的转录激活结构域和 DNA 结合结构域 的片段筛选，这是蛋白质活性所需的两个区域。然而，都没有获得初始 Hits。另一种靶向 MYC 的方法是靶向一种比 MYC 更具有成药性的共因子。如靶向与 MYC 相互作用的 WDR5，如下图。从片段筛选开始，发现了结合到 WDR5 上 MYC 与 WDR5 相互作用位点（WBM 位点）和 MLL1 与 WDR5 结合位点（WIN 位点）的命中化合物。通过广泛优化，发现了单个数字皮摩尔级别的 WDR5 抑制剂，这些抑制剂具有口服生物利用度，在体内有效且安全，目前正在进行新药临床试验申请（IND）支持研究，并与国家癌症研究所（NCI）合作推进该分子进入临床。03总结与展望在过去的 25 年中，片段筛选已成为一种重要且广泛使用的方法，用于发现与蛋白质结合的命中化合物，为药物发现过程提供了良好的起点。FBDD 已经成功用于靶向挑战性癌症靶标的配体发现，如Bcl-2 家族蛋白、KRAS、MYC等。这篇文章中更是重点突出了 NMR 技术在 FBDD 技术平台发现和优化配体中的重要作用；此外，也提出了几种重要的基于片段的优化策略，如片段链接、片段生长、片段融合等。声明：发表/转载本文仅仅是出于传播信息的需要，并不意味着代表本公众号观点或证实其内容的真实性。据此内容作出的任何判断，后果自负。若有侵权，告知必删！长按关注本公众号   粉丝群/投稿/授权/广告等请联系公众号助手 觉得本文好看，请点这里↓