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藥物設(shè)計(jì)與變構(gòu)之歷史

從代謝調(diào)控機(jī)制到分子信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，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(duì)其變構(gòu)位點(diǎn)與靶向活性位點(diǎn)的正構(gòu)配體相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，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(shè)計(jì)和開發(fā)中作為潛在的治療藥物正引起越來越多的關(guān)注。近年來，隨著對(duì)變構(gòu)調(diào)節(jié)基本原理的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，再加上在變構(gòu)作用領(lǐng)域強(qiáng)大的技術(shù)和方法的開發(fā)，為發(fā)現(xiàn)變構(gòu)蛋白，檢測(cè)和鑒定變構(gòu)位點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(jī)遇。在下面的幾篇文章里，我們盡量總結(jié)了變構(gòu)領(lǐng)域歷史淵源，最新的研究進(jìn)展，重點(diǎn)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(gè)蛋白上的變構(gòu)位點(diǎn)（空間上不同于蛋白底物功能位點(diǎn)）來調(diào)控蛋白的功能活性。細(xì)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(jià)修飾（磷酸化，乙?；徒宦?lián)(tethering)）,光吸收，環(huán)境擾動(dòng)（pH，溫度，和離子強(qiáng)度）等。變構(gòu)位點(diǎn)的.擾動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生后觸發(fā)相關(guān)原子波動(dòng)，氨基酸殘基網(wǎng)絡(luò)或結(jié)構(gòu)域運(yùn)動(dòng)，傳遞到蛋白質(zhì)功能位點(diǎn)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(xì)胞中的正常細(xì)胞進(jìn)程（包括細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，代謝，酶的催化，以及基因調(diào)控），是一種非常有效的機(jī)制。這種精細(xì)的蛋白內(nèi)變構(gòu)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)調(diào)控一旦發(fā)生功能障礙會(huì)導(dǎo)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(yīng)現(xiàn)象最早發(fā)現(xiàn)于1901年的血紅蛋白對(duì)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(jī)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(yīng)模型。

模型及其擴(kuò)展

1965年，Monod、Wyman以及Changeux提出了變構(gòu)效應(yīng)的一個(gè)協(xié)調(diào)的對(duì)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(jī)制。NWC模型是基于以下的假設(shè)：1.調(diào)控蛋白是對(duì)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(shí)寡聚體自發(fā)存在離散對(duì)稱構(gòu)象（R狀態(tài)），配體結(jié)合后，原有構(gòu)象中的每個(gè)亞基同時(shí)轉(zhuǎn)換為另一種構(gòu)象（T狀態(tài)）。該模型最初用于解釋細(xì)菌調(diào)節(jié)劑和血紅蛋白的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和協(xié)同屬性，但現(xiàn)在已成功應(yīng)用于闡明變構(gòu)膜受體和其他變構(gòu)超分子組裝的機(jī)制中，例如分子伴侶GroELCheA和CheW。Henry，Bettati，Hofrichter以及Eaton在2002年又進(jìn)一步引入了三級(jí)雙態(tài)（TTS）模型，假設(shè)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(duì)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(dǎo)契合變構(gòu)轉(zhuǎn)換機(jī)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(shí)驗(yàn)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(gè)亞基結(jié)合能夠誘導(dǎo)該亞基的構(gòu)象發(fā)生改變，從而重塑結(jié)合位點(diǎn)的構(gòu)象以完全適應(yīng)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(shè)計(jì)中誘導(dǎo)契合方法的提出提供了早期理論模板。

3.群體流動(dòng)(PopulationShift)模型

該理論擴(kuò)展了MWC模型，并認(rèn)識(shí)到在溶液中蛋白群體存在著大量不同的構(gòu)象，每個(gè)蛋白的構(gòu)象和群體內(nèi)構(gòu)象分布是動(dòng)態(tài)的，蛋白構(gòu)象的相對(duì)群體將通過變構(gòu)調(diào)節(jié)來改變。當(dāng)變構(gòu)調(diào)節(jié)分子進(jìn)入溶液后，將選擇與其最互補(bǔ)的蛋白構(gòu)象群體中的變構(gòu)位點(diǎn)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(diǎn)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(dòng)，將構(gòu)象狀態(tài)重新分布到對(duì)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(jī)器，不同組裝形式之間的蛋白功能存在差異和動(dòng)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(gè)模型成功的解釋了雙膽素原合成酶的雙重四級(jí)結(jié)構(gòu)的變構(gòu)調(diào)節(jié)新機(jī)制。

這些理論模型的提出提供了對(duì)變構(gòu)效應(yīng)的理解，而近20年來一些生物物理學(xué)方法的廣泛應(yīng)用（比如X射線晶體學(xué)，固態(tài)和弛豫擴(kuò)散核磁共振（NMR）,H/D交換質(zhì)譜，高通量篩選（HTS），膜片鉗技術(shù)，電生理學(xué)技術(shù)為這些理論提供了大量實(shí)驗(yàn)證據(jù)。近年來，變構(gòu)藥物設(shè)計(jì)方法的發(fā)展推動(dòng)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(shè)計(jì)新型的高效低毒藥物提供了前所未有的機(jī)遇，尤其是為以前無法獲得的激動(dòng)型藥物設(shè)計(jì)提供了重要方法?？梢灶A(yù)期在未來的10年中，變構(gòu)藥物尤其是變構(gòu)激動(dòng)劑將徹底改變藥物市場(chǎng)中當(dāng)前很多無法觸及的疾病領(lǐng)域。精彩變構(gòu)藥物設(shè)計(jì)方法和實(shí)例請(qǐng)見下回分解。

參考文獻(xiàn)

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