PPI靶點(diǎn)成藥的關(guān)鍵問題及其抑制劑的開發(fā)策略

圖 1. 蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)^[1]。

• PPI 界面面積大 (1500-3000 Å)，難以找到完全結(jié)合的藥物。
• PPI 界面均勻平坦，缺乏與配體結(jié)合所需要的特異性結(jié)合口袋，藥物親和力差。
• PPI 藥物分子量大，溶解度差，難以滿足 Lipinski 類藥“五原則”。
• 蛋白-蛋白之間親和力強(qiáng)，藥物難以破壞。
• PPI 抑制劑的驗(yàn)證需要大量的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)。

隨著相關(guān)研究的深入，熱點(diǎn) (Hot Spots) 的發(fā)現(xiàn)使有效靶向 PPI 成為可能。熱點(diǎn)是指 PPI 上一小部分非常重要的氨基酸殘基 (約占 PPI 界面上殘基的 9.5%)，經(jīng)氨基酸掃描 (Alanine Scanning) 突變?yōu)?strong>丙氨酸后結(jié)合能增加大于 2 kcal/mol[3]。這些熱點(diǎn)有助于保持 PPI 的穩(wěn)定性，是兩個(gè)蛋白發(fā)生相互作用的關(guān)鍵[4]。

因此，雖然 PPI 界面面積大，但小分子藥物只需作用于熱點(diǎn)，就能影響調(diào)控 PPI 的穩(wěn)定性。

一般情況下，熱點(diǎn)更容易出現(xiàn)在色氨酸、精氨酸和酪氨酸殘基上[5]。

近些年，在藥物開發(fā)工作者的努力下，越來越多的熱點(diǎn)在各類 PPI 中得到確認(rèn)，而這些熱點(diǎn)也極大程度的推動(dòng)了 PPI 靶向藥物的開發(fā)進(jìn)程。
 

PPI 抑制劑可主要分為三類：小分子藥物、抗體以及多肽。

表 1. 不同類型的 PPI 抑制劑類型及優(yōu)缺點(diǎn)^[6][7]。

▐  目標(biāo)蛋白復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)檢測

圖 2. 經(jīng) HTS 所篩選出的部分 PPI 抑制劑^[5]。 

▐  基于片段的藥物發(fā)現(xiàn) (FBDD)

片段篩選是 PPI 抑制劑篩選的一大重要手段。

• 第一步，構(gòu)建符合需求的片段庫，MCE 片段化合物庫  (HY-L032) 含有 20,000+ 個(gè)小片段，非常適合先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)，并且具有廣闊的化學(xué)空間，利于后期進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

• 第二步，使用表面等離子體共振 (SPR)、核磁共振 (NMR)、X 射線晶體學(xué)、和質(zhì)譜 (MS) 等途徑從片段庫中篩選出熱點(diǎn)小片段。

• 第三步，使用“藥物化學(xué)”的方法對(duì)篩選出的片段進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化 (包括片段延伸、片段合并、片段連接)，目的是增強(qiáng)其與靶點(diǎn)的親和力，改善其藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，最終得到先導(dǎo)化合物[7]。

注意：FBDD 不適用于結(jié)構(gòu)未知的 PPI 靶標(biāo)。

圖 3. FBDD 法開發(fā) PPI 抑制劑的流程^[8]。

▐  虛擬篩選

虛擬篩選是基于專業(yè)的應(yīng)用軟件從化合物庫中篩選出命中化合物，通過分析蛋白質(zhì)表面來定位結(jié)合位點(diǎn)。虛擬篩選可被分為基于結(jié)構(gòu)進(jìn)行篩選和基于配體的篩選。基于結(jié)構(gòu)法依賴于目標(biāo)蛋白的結(jié)構(gòu)信息，而基于配體法則是根據(jù)已建立的藥效團(tuán)模型來篩選所需化學(xué)特征的藥物分子。

注意：由于大多數(shù)情況下 PPI 并沒有任何已知的配體，因此基于結(jié)構(gòu)的篩選方法更加適合用于 PPI 抑制劑的篩選[9]。

▐  基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)

基于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) (Structure-based design) 主要從蛋白復(fù)合物的結(jié)構(gòu)出發(fā)，需要對(duì)靶標(biāo)蛋白復(fù)合物的相互作用表面進(jìn)行分析，然后設(shè)計(jì)出靶向抑制劑。通過生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)出的抑制劑進(jìn)行鑒定并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終識(shí)別出適用于靶標(biāo)蛋白的有效藥物。

圖 4. 小分子 PPI 抑制劑的開發(fā)方法^[5]。

[1] Athanasios A, et al. Protein-Protein Interaction (PPI) Network: Recent Advances in Drug Discovery. Curr Drug Metab. 2017;18(1):5-10. 

[2] Lu, Haiying et al. “Recent advances in the development of protein-protein interactions modulators: mechanisms and clinical trials.” Signal transduction and targeted therapy vol. 5,1 213. 23 Sep. 2020, 
[3] Moreira, Irina S et al. “Hot spots--a review of the protein-protein interface determinant amino-acid residues.” Proteins vol. 68,4 (2007): 803-12. 
[4] Cukuroglu, Engin et al. “Hot spots in protein-protein interfaces: towards drug discovery.” Progress in biophysics and molecular biology vol. 116,2-3 (2014): 165-73. 
[5] Sheng, Chunquan et al. “State-of-the-art strategies for targeting protein-protein interactions by small-molecule inhibitors.” Chemical Society reviews vol. 44,22 (2015): 8238-59. 
[6] Xie, Xin et al. “Recent advances in targeting the "undruggable" proteins: from drug discovery to clinical trials.” Signal transduction and targeted therapy vol. 8,1 335. 6 Sep. 2023.
[7] Wu, Defa et al. “Small molecules targeting protein-protein interactions for cancer therapy.” Acta pharmaceutica Sinica. B vol. 13,10 (2023): 4060-4088.
[8] Wang, Zhi-Zheng et al. “Fragment-based drug discovery supports drugging 'undruggable' protein-protein interactions.” Trends in biochemical sciences vol. 48,6 (2023): 539-552. 
[9] Villoutreix, Bruno O. et al. “In silico-in vitro screening of protein-protein interactions: towards the next generation of therapeutics.” Current pharmaceutical biotechnology 9 2 (2008): 103-22.