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藥物設計與變構(gòu)之歷史

從代謝調(diào)控機制到分子信號轉(zhuǎn)導，變構(gòu)調(diào)節(jié)是發(fā)現(xiàn)生物大分子功能調(diào)控的最直接有效的方法。變構(gòu)調(diào)節(jié)分子針對其變構(gòu)位點與靶向活性位點的正構(gòu)配體相比具有明顯的優(yōu)點，例如更高的特異性，副作用少和毒性低。因此變構(gòu)調(diào)制分子在新藥的設計和開發(fā)中作為潛在的治療藥物正引起越來越多的關注。近年來，隨著對變構(gòu)調(diào)節(jié)基本原理的進一步認識，再加上在變構(gòu)作用領域強大的技術和方法的開發(fā)，為發(fā)現(xiàn)變構(gòu)蛋白，檢測和鑒定變構(gòu)位點，設計和開發(fā)新型有效的變構(gòu)藥物，以及重述變構(gòu)調(diào)節(jié)蛋白和調(diào)節(jié)劑的普遍特征提供了前所未有的機遇。在下面的幾篇文章里，我們盡量總結(jié)了變構(gòu)領域歷史淵源，最新的研究進展，重點闡述之前提到的變構(gòu)化合物。

什么是變構(gòu)調(diào)節(jié)？

變構(gòu)調(diào)節(jié)（Allostericregulation），也叫別構(gòu)調(diào)節(jié)，是指調(diào)節(jié)分子通過結(jié)合到一個蛋白上的變構(gòu)位點（空間上不同于蛋白底物功能位點）來調(diào)控蛋白的功能活性。細胞中蛋白的變構(gòu)調(diào)節(jié)形式是多種多樣的，包括結(jié)合相互作用（利用蛋白質(zhì)，離子，脂質(zhì)，小分子和DNA/RNA）和共價修飾（磷酸化，乙?；徒宦?lián)(tethering)）,光吸收，環(huán)境擾動（pH，溫度，和離子強度）等。變構(gòu)位點的.擾動信號產(chǎn)生后觸發(fā)相關原子波動，氨基酸殘基網(wǎng)絡或結(jié)構(gòu)域運動，傳遞到蛋白質(zhì)功能位點區(qū)域，使其構(gòu)象或者理化性質(zhì)發(fā)生改變，最終改變蛋白質(zhì)的功能。變構(gòu)調(diào)節(jié)能精確控制細胞中的正常細胞進程（包括細胞信號轉(zhuǎn)導，代謝，酶的催化，以及基因調(diào)控），是一種非常有效的機制。這種精細的蛋白內(nèi)變構(gòu)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡調(diào)控一旦發(fā)生功能障礙會導致一些人類疾病的發(fā)生，比如癌癥，糖尿病，炎癥以及阿爾茲海默病等。

變構(gòu)效應現(xiàn)象最早發(fā)現(xiàn)于1901年的血紅蛋白對于氧氣結(jié)合的協(xié)同現(xiàn)象，隨后提出了Hill指數(shù)來定量該現(xiàn)象，其分子機制最早是由Monod,Changeux以及Jacob在60年后才建立。我們先來回顧一下已經(jīng)提出過的變構(gòu)效應模型。

模型及其擴展

1965年，Monod、Wyman以及Changeux提出了變構(gòu)效應的一個協(xié)調(diào)的對稱模型，稱為一致性狀態(tài)的MWC模型，用來解釋寡聚酶的協(xié)調(diào)機制。NWC模型是基于以下的假設：1.調(diào)控蛋白是對稱的同源寡聚體；2.多聚體蛋白亞基構(gòu)象以協(xié)同的方式改變；3.配體缺失時寡聚體自發(fā)存在離散對稱構(gòu)象（R狀態(tài)），配體結(jié)合后，原有構(gòu)象中的每個亞基同時轉(zhuǎn)換為另一種構(gòu)象（T狀態(tài)）。該模型最初用于解釋細菌調(diào)節(jié)劑和血紅蛋白的信號轉(zhuǎn)導和協(xié)同屬性，但現(xiàn)在已成功應用于闡明變構(gòu)膜受體和其他變構(gòu)超分子組裝的機制中，例如分子伴侶GroELCheA和CheW。Henry，Bettati，Hofrichter以及Eaton在2002年又進一步引入了三級雙態(tài)（TTS）模型，假設存在T和R狀態(tài)中的亞基又各自存在親和力高（r）和低（t）構(gòu)象之間的平衡，T狀態(tài)中的低親和力構(gòu)象接近R狀態(tài)中的高親和力構(gòu)象。該模型很好的解釋了變構(gòu)抑制劑對血紅蛋白的氧親和力的改變，也揭示了大部分T狀態(tài)中的配體亞基與R狀態(tài)中的配體亞基具有相似的功能構(gòu)象的現(xiàn)象。

(KNF)模型

1966年，Koshland、Nemethy和Filmer引入了一種序貫誘導契合變構(gòu)轉(zhuǎn)換機制，稱為KNF模型，是基于配體結(jié)合后蛋白構(gòu)象發(fā)生構(gòu)象改變的實驗得到的發(fā)現(xiàn)。KNF模型假定配體與多聚體蛋白質(zhì)的一個亞基結(jié)合能夠誘導該亞基的構(gòu)象發(fā)生改變，從而重塑結(jié)合位點的構(gòu)象以完全適應配體。在配體缺失的情況下，KNF模型中蛋白排除任何構(gòu)象改變。KNF模型的提出也為后來藥物設計中誘導契合方法的提出提供了早期理論模板。

3.群體流動(PopulationShift)模型

該理論擴展了MWC模型，并認識到在溶液中蛋白群體存在著大量不同的構(gòu)象，每個蛋白的構(gòu)象和群體內(nèi)構(gòu)象分布是動態(tài)的，蛋白構(gòu)象的相對群體將通過變構(gòu)調(diào)節(jié)來改變。當變構(gòu)調(diào)節(jié)分子進入溶液后，將選擇與其最互補的蛋白構(gòu)象群體中的變構(gòu)位點來結(jié)合這些構(gòu)象。隨著變構(gòu)調(diào)節(jié)分子與變構(gòu)位點的結(jié)合，大量蛋白其他構(gòu)象經(jīng)歷了向可結(jié)合調(diào)節(jié)分子的構(gòu)象群體流動，將構(gòu)象狀態(tài)重新分布到對變構(gòu)調(diào)節(jié)分子有利的構(gòu)象。

模型

Jaffe在2005年引入了變構(gòu)調(diào)節(jié)的Morpheein模型，該模型為同源寡聚體（morpheein形式）可以組裝成兩種或多種不同形式的蛋白機器，不同組裝形式之間的蛋白功能存在差異和動態(tài)轉(zhuǎn)換平衡。變構(gòu)調(diào)節(jié)分子可以結(jié)合一種多聚體組裝形式并將相互轉(zhuǎn)換平衡轉(zhuǎn)移到其優(yōu)選形式中。這個模型成功的解釋了雙膽素原合成酶的雙重四級結(jié)構(gòu)的變構(gòu)調(diào)節(jié)新機制。

這些理論模型的提出提供了對變構(gòu)效應的理解，而近20年來一些生物物理學方法的廣泛應用（比如X射線晶體學，固態(tài)和弛豫擴散核磁共振（NMR）,H/D交換質(zhì)譜，高通量篩選（HTS），膜片鉗技術，電生理學技術為這些理論提供了大量實驗證據(jù)。近年來，變構(gòu)藥物設計方法的發(fā)展推動體內(nèi)的這種變構(gòu)調(diào)節(jié)成為藥物作用的一種模式，為設計新型的高效低毒藥物提供了前所未有的機遇，尤其是為以前無法獲得的激動型藥物設計提供了重要方法?？梢灶A期在未來的10年中，變構(gòu)藥物尤其是變構(gòu)激動劑將徹底改變藥物市場中當前很多無法觸及的疾病領域。精彩變構(gòu)藥物設計方法和實例請見下回分解。

參考文獻

S,JangH,MuratciogluS,GursoyA,KeskinO,NussinovR,ZhangJ*.Rasconformationalensembles,allosteryandsignaling.ChemRev.2016,116(11):6607-666