以化學(xué)結(jié)構(gòu)為導(dǎo)向的藥物設(shè)計(jì)與開發(fā)

1、<p>　　以化學(xué)結(jié)構(gòu)為導(dǎo)向的藥物設(shè)計(jì)與開發(fā)</p><p><b>　　方陵生/編譯</b></p><p>　　卡蒂亞·卡迪謝維斯基（Katya Kadyshevskaya ）的斯克里普斯GPCR網(wǎng)發(fā)現(xiàn)的G蛋白耦合受體和它的七個(gè)跨膜區(qū)</p><p>　　● 林道會(huì)議重要發(fā)言人之一的布賴恩·科比爾卡（Brian

2、 K. Kobilka）認(rèn)為，了解G蛋白耦合受體的結(jié)構(gòu)可幫助藥物的設(shè)計(jì)開發(fā)，但這一切又是怎么進(jìn)行的呢？</p><p>　　醫(yī)學(xué)上深有造詣的布賴恩·科比爾卡感覺，自己在今夏的林道會(huì)議上“就像一位剛加入化學(xué)俱樂部的新人”，但實(shí)際上，幾乎每一位與會(huì)者對(duì)他獲得諾獎(jiǎng)的成就——G-蛋白耦合受體（GPCR）的研究發(fā)現(xiàn)都已經(jīng)非常熟悉了。用美國(guó)北卡羅萊納大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)家布賴恩·羅斯（Bryan Roth）的話

3、說，這一研究成果“已經(jīng)徹底改變了新的GPCR藥物開發(fā)的途徑”，并可能為許多疾病的治療提供新的方法。 </p><p>　　2012諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主科比爾卡</p><p>　　GPCRs可對(duì)體內(nèi)幾乎所有細(xì)胞發(fā)出的各種信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，包括荷爾蒙激素、神經(jīng)遞質(zhì)、離子、氣味分子，甚至還有光線。在被匹配的分子（或配體）激活后，GPCRs產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性變化，引發(fā)細(xì)胞的一連串連鎖反應(yīng)。以GPCR家族的不同成

4、員為靶標(biāo)開發(fā)的藥物，可產(chǎn)生各種大的生理效應(yīng)。例如，β受體阻滯劑能減緩心率、抗組胺藥可以預(yù)防過敏反應(yīng)、安定藥可調(diào)節(jié)神經(jīng)傳遞等。因此，GPCRs給藥物設(shè)計(jì)帶來(lái)了無(wú)限的可能性。事實(shí)上，正是GPCRs對(duì)于重癥護(hù)理藥物研發(fā)的重要性，吸引著科比爾卡走出臨床門診進(jìn)入了實(shí)驗(yàn)室。</p><p>　　科比爾卡和羅伯特·萊夫科維茨（Robert J. Lefkowitz，2012年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主之一）的研究揭示了GPCR

5、家族的常見結(jié)構(gòu)及其變異成員。澳大利亞莫納什大學(xué)的藥理學(xué)家阿瑟·克里斯托潑羅斯（Arthur Christopoulos ）認(rèn)為，將生物學(xué)上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為藥物發(fā)現(xiàn)上的進(jìn)步，需要“生物學(xué)家和化學(xué)家的密切合作”。目前，很多研究人員都在致力于利用GPCRs的新的信息，以結(jié)束“鈍錘”藥物一統(tǒng)天下的局面?？死锼雇袧娏_斯也是其中之一。</p><p>　　這項(xiàng)研究已經(jīng)超越了學(xué)科界限。研究人員希望設(shè)計(jì)的以GPCRs為靶標(biāo)

6、的新的藥物，可提供更有效的治療和更多的選擇性，并盡可能地消除藥物的副作用。正是基于這些新的知識(shí)，藥物化學(xué)家開始設(shè)計(jì)綁定到某個(gè)特定受體上的新的配體，可比現(xiàn)有藥物更有效地改變受體的活動(dòng)。</p><p>　　由于2008年建立的斯克里普斯GPCR網(wǎng)的努力，被破解的GPCR結(jié)構(gòu)的數(shù)量正在迅速增加。斯克里普斯GPCR網(wǎng)是一個(gè)大型的網(wǎng)絡(luò)協(xié)作項(xiàng)目，涉及十多個(gè)研究所和工業(yè)實(shí)驗(yàn)室，其目標(biāo)是在2015年前至少確定15個(gè) GPCRs

7、的特點(diǎn)，目前已經(jīng)破解了13個(gè)</p><p>　　GPCRs結(jié)構(gòu)：藥物開發(fā)的精確工具</p><p>　　藥物研發(fā)是一個(gè)緩慢而昂貴的過程。進(jìn)入臨床試驗(yàn)第一階段的藥物，最終只有5%不到能夠獲得美國(guó)食品和藥品管理局（FDA）的批準(zhǔn)，每種藥物的開發(fā)成本估計(jì)接近10億美元。直到不久之前，人們對(duì)包括那些以GPCRs為靶標(biāo)的大多數(shù)藥物的構(gòu)成結(jié)構(gòu)和其生物學(xué)原理的理解還都十分有限。</p>

8、<p>　　GPCR藥物開發(fā)最成功的例子是那些能通過如腎上腺素和復(fù)合胺等小分子激活的受體，如于45年前獲得批準(zhǔn)的腎上腺素受體顯效藥舒喘寧，至今仍然是治療哮喘最有效的藥物之一。但開發(fā)能與大的蛋白質(zhì)或配體結(jié)合的有藥物屬性的小分子則是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。由于GPCRs家族之間的相似性，很難鑒別選擇的藥物是否會(huì)產(chǎn)生意料之外的非目標(biāo)行為。</p><p>　　如果研究人員能夠反過來(lái)從受體結(jié)構(gòu)入手，將有助于促進(jìn)新藥物的

9、開發(fā)工作，即利用受體綁定的結(jié)構(gòu)信息反饋到虛擬篩選程序中，通過識(shí)別每個(gè)受體綁定的特定區(qū)域，可以設(shè)計(jì)出具有高度選擇性的配體，這也是靶向藥物開發(fā)的第一步?！斑@些方法將導(dǎo)致候選藥物高度優(yōu)化并提高藥物開發(fā)的效率。”英國(guó)靶點(diǎn)藥物開發(fā)公司Heptares Therapeutics首席科學(xué)官菲奧納·馬歇爾（Fiona Marshall）說道。</p><p>　　馬歇爾認(rèn)為，GPCRs將逐漸成為一些罕見疾病治療藥物的開

10、發(fā)目標(biāo)（對(duì)于這類疾病目前幾乎無(wú)任何有針對(duì)性的藥物）。所謂的“孤兒受體”（即GPCRs的自然配體目前還屬于未知）也是具有吸引力的藥物靶標(biāo)。Heptares正在對(duì)最近擺脫了“孤兒受體”之名的受體進(jìn)行研究，確認(rèn)了GPR39的促效藥（GPR39參與胰島細(xì)胞功能，一直是糖尿病治療的目標(biāo)之一）。馬歇爾解釋說：“這種受體特別的意義在于，它有可能阻止糖尿病的發(fā)展。”此外，Heptares公司正在與其他制藥公司合作，使用穩(wěn)定的純GPCR制劑產(chǎn)生的抗體激活

11、或抑制受體活動(dòng)，這類治療性抗體藥物具有許多優(yōu)勢(shì)?！耙恍┚哂刑禺愋缘目贵w作用持久，可與其他形式的藥物配合用于癌癥治療。”馬歇爾說道。一些公司開發(fā)的許多類似的抗體已經(jīng)用于臨床，例如，東京一家生物科技公司開發(fā)的藥物mogamulizumab（商品名為Poteligeo），在日本已被批準(zhǔn)用于治療成人T細(xì)胞白血病。 </p><p>　　GPCRs研究：改變世界醫(yī)學(xué)的未來(lái)</p><p>　　結(jié)構(gòu)研

12、究已揭示了GPCRs在其他層次的復(fù)雜性。除了內(nèi)源性配體綁定位點(diǎn)之外，GPCRs還有可以綁定其他分子的變構(gòu)位點(diǎn)（變構(gòu)位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)更為多樣化），給GPCRs的微調(diào)提供了更多機(jī)會(huì)。變構(gòu)位點(diǎn)的效應(yīng)難以量化，尤其是對(duì)于許多GPCR的靶標(biāo)來(lái)說，達(dá)到最佳治療效果的信號(hào)水平還屬于未知。但這是一個(gè)激動(dòng)人心的領(lǐng)域，“如果我們能夠了解受體信號(hào)與臨床效果之間的聯(lián)系，我們將能有更好的辦法讓藥物擁有我們希望達(dá)到的屬性?！卑拇罄麃喣{什大學(xué)藥理學(xué)家帕特里克·

13、塞克斯頓（Patrick Sexton）解釋道。</p><p>　　目前已有兩種變構(gòu)配體批準(zhǔn)作為治療藥物，美國(guó)加州Amgen 公司開發(fā)的cinacalcet（商品名為Sensipar），作用是激活鈣敏感受體，用于治療甲狀旁腺功能亢進(jìn)；英國(guó)ViiV Healthcare 公司開發(fā)的maraviroc（商品名為Selzentry或 Celsentri），用于阻斷艾滋病病毒借以進(jìn)入宿主細(xì)胞的趨化因子受體，以及許多小公

14、司正在研究GPCRs的變構(gòu)調(diào)節(jié)作用，用以治療神經(jīng)退行性疾病和精神疾病。瑞士Addex制藥公司正在二期試驗(yàn)中的化合藥物，通過逆轉(zhuǎn)左旋多巴誘發(fā)的運(yùn)動(dòng)障礙治療帕金森氏疾病患者，對(duì)于治療極為罕見的肌張力障礙也有很大的價(jià)值。“與正位結(jié)合位點(diǎn)相比，這些化合物在受體亞型上擁有更大的選擇性?！盇ddex制藥首席執(zhí)行官蒂姆·戴爾（Tim Dyer）說道。</p><p>　　在實(shí)驗(yàn)室里可通過將化合物同時(shí)作用于正位結(jié)合位點(diǎn)

15、和變構(gòu)結(jié)合位點(diǎn)進(jìn)行藥物篩選，雖然這樣的雙跨膜（bitopic）配體在實(shí)驗(yàn)室里已經(jīng)確定，但都還沒有進(jìn)入臨床試驗(yàn)?？死锼雇袧娏_斯指出，雙跨膜配體的研究仍處于早期階段，最重要的挑戰(zhàn)之一是如何找到最好的辦法，將與正位位點(diǎn)和變構(gòu)位點(diǎn)結(jié)合的配體連接起來(lái)，這樣結(jié)合的分子有可能“因太大而不能被適當(dāng)優(yōu)化并作為潛在的藥物靶標(biāo)而加以開發(fā)。” </p><p>　　馬歇爾指出，基于GPCR結(jié)構(gòu)的藥物發(fā)現(xiàn)和開發(fā)“還處于早期階段”，很多靶標(biāo)

16、難以結(jié)晶，更重要的是，這些GPCR結(jié)構(gòu)在不停的變化之中。“在藥物設(shè)計(jì)計(jì)算方法中，應(yīng)將GPCRs的動(dòng)態(tài)特性考慮進(jìn)去，” 克里斯托潑羅斯指出，“否則我們也將遇到其他藥物開發(fā)同行在過去曾遇到過的藥物開發(fā)成功率低的問題?！?lt;/p><p>　　但塞克斯頓樂觀地預(yù)測(cè)，未來(lái)五年里，受體成功結(jié)晶的數(shù)量和用來(lái)描述反應(yīng)的定量工具的數(shù)量都會(huì)增加。他補(bǔ)充說，“這些都將逐步對(duì)候選藥物的選擇產(chǎn)生影響?！彪S著生物學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域?qū)W科交叉的繼續(xù)，

17、科比爾卡在化學(xué)俱樂部里很快將不再是一位新人了。</p><p>　　[資料來(lái)源：Nature][責(zé)任編輯：則 鳴]</p><p><b>　　● 相關(guān)鏈接 ●</b></p><p>　　“尤里卡”時(shí)刻：預(yù)示偉大發(fā)現(xiàn)的小發(fā)現(xiàn)</p><p>　　1968年，羅伯特·萊夫科維茨用放射性碘分子對(duì)一些荷爾蒙激素做了

18、標(biāo)記后發(fā)現(xiàn)，這些激素可以綁定細(xì)胞外的受體，然后觸發(fā)細(xì)胞內(nèi)的反應(yīng)，首次證明了生物學(xué)活性受體的存在。</p><p>　　布萊恩·科比爾卡于上世紀(jì)80年代加入萊夫科維茨的研究團(tuán)隊(duì)，他們的研究目標(biāo)是要分離出腎上腺激素受體的基因編碼，腎上腺激素所起的一個(gè)關(guān)鍵作用是調(diào)節(jié)心血管功能。1986年，他們成功克隆了β2-腎上腺激素受體，發(fā)現(xiàn)它與視網(wǎng)膜紫質(zhì)受體十分相似，其相似性表明，β-腎上腺激素受體是一個(gè)更大受體家族的一

19、部分，它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上相似，但擁有完全不同的功能。這些受體很快被命名為G蛋白耦合受體（GPCRs）。</p><p>　　在此之后，800多個(gè)GPCRs基因編碼相繼被確認(rèn)，其中23個(gè)的結(jié)構(gòu)已被破解。大多數(shù)這些受體的結(jié)構(gòu)為A族（與視網(wǎng)膜紫質(zhì)相似），包括腎上腺素、毒蕈堿和阿片受體，是治療心臟病、呼吸停止和鎮(zhèn)痛藥物的既定目標(biāo)。但GPCRs難以分離和結(jié)晶，它們不僅難以溶解，而且其結(jié)構(gòu)也極不穩(wěn)定，隨著與不同配體和細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳輸

20、蛋白的交互作用而發(fā)生變化。直到2011年，科比爾卡設(shè)法讓人體β2-腎上腺受體綁定于某個(gè)配體或G蛋白時(shí)被激活的那一刻（結(jié)晶），并同時(shí)給細(xì)胞發(fā)送信號(hào)。</p><p>　　最近已有來(lái)自不同家族受體結(jié)構(gòu)的相關(guān)報(bào)道，包括SMO受體（smoothened receptor）和B族的兩個(gè)受體——促腎上腺皮質(zhì)激素釋放因子1受體（CRF1R）和胰高血糖素受體。已得到驗(yàn)證的這些受體的臨床目標(biāo)疾病包括癌癥和Ⅱ型糖尿病等，但由于它們與