不可药性靶点的 “成药路径”

2023-11-29

免疫疗法

近几十年来，由于分子生物学的快速发展，揭示了对疾病发生和进展至关重要的关键生物大分子，为药物发现提供了有效途径。这些生物大分子包括激酶、受体和通道蛋白，它们与疾病发展的关系密切，具有特定的疏水口袋和结合后的功能变化，被定义为“可成药性”靶点，为药物设计奠定了基础。然而，随着基因组学和蛋白质组学的兴起，越来越多与疾病相关的靶点被发现，但它们缺乏传统可药性靶点的特征，被称为“不可药性”靶点。这些靶蛋白的功能界面平坦，缺乏配体相互作用口袋，使得药物设计成为巨大挑战。尽管如此，针对这些“不可药性”靶点也被认为是治疗人类疾病的巨大机遇，并在医学领域引起了重视。一些典型的不可药性靶点包括小GTP酶、磷酸酶、转录因子、表观遗传靶点和蛋白质-蛋白质相互作用（PPIs）等。这些靶点的特点包括缺乏药理学可靶向口袋、结构异质性、缺乏可追踪的结合位点和平坦的相互作用表面。面对“不可药性”，目前已经发展出数十种创新方法，制药公司投资数十亿美元，将“不可药性”靶点转变为“难以药物化”或“待药物化”靶点，并已取得了多个药物的批准。这些策略包括共价抑制、变构抑制、PPIs抑制、靶向蛋白调控、以核酸为基础的方法和免疫治疗等。同时，利用先进的技术如基于碎片的药物发现、计算机辅助药物设计、虚拟筛选、DNA编码库和靶向变构位点等，药物设计策略得到了进一步的发展。本文就这些针对“不可药性”靶点的经典策略做一个简要介绍。共价调节共价抑制剂，也称不可逆抑制剂，是一类通过较弱反应性的功能团以共价键结合到目标蛋白的氨基酸残基上，相比于非共价抑制剂，具有持续抑制和更长的驻留时间的优势。同时，共价抑制剂也可以降低剂量并改善依从性，避免一些潜在的耐药机制。经典的共价抑制模式，如共价KRAS抑制剂结合到KRASG12C突变体的半胱氨酸上，降低GTP和KRAS之间的亲和力，从而使KRASG12C突变体处于未激活状态；共价EGFR抑制剂结合到EGFR的ATP结合位点的Cys797上，对T790M突变体表现出高亲和力并解决耐药问题；共价p53稳定剂结合到p53-Y220C突变体上，将热稳定性恢复到野生型水平，或防止MDM2和p53的相互作用（图1）。图1.经典的共价抑制模式由于共价抑制剂可以靶向缺乏表面“口袋”的不可药性蛋白质，从而扩大治疗范围的潜力，因此在攻克“不可药性”领域具有重要意义。例如，Nirmatrelvir是Paxlovid的一部分，已被批准用于COVID-19的紧急使用，它是Mpro SARS-CoV-2的共价抑制剂，突出了半胱氨酸反应性共价功能团在靶向Mpro的蛋白酶活性位点中的重要性。KRAS G12C抑制剂sotorasib的批准也是共价药物发展和攻克“不可药性”领域的一个重大里程碑。变构调节在过去，药物设计的重点是治疗蛋白质靶点的正向位点。然而，许多这些靶点被发现是不可药性或难以在其正向位点上靶向，因为它们与底物的亲和力很高，缺乏结构信息或其活性位点高度保守。为了克服这些挑战，变构调节被提出作为一种常用的策略，其在自然界中常被用于通过调节生物分子的“远程”亲和力来控制细胞过程。变构调节剂可以通过稳定靶蛋白在非活性或活性状态下来高度可预测地改变蛋白/底物的亲和力，从而可控。相对于正向抑制剂，变构调节剂具有几个优点。首先，变构配体不必与高亲和力底物竞争，使得开发变构调节剂更为简单。其次，变构位点多样，可以在同源蛋白中提供更好的选择性，从而减少副作用并在临床应用中具有更大的价值。第三，变构调节剂具有理想的“效应上限”。一旦变构位点被占据，就不会观察到任何额外的效应，表明在超量条件下药物的安全性。此外，正向抑制剂和变构调节剂可以同时靶向不可药性蛋白，以实现协同作用并克服耐药性。变构调节剂不仅可以像正向抑制剂一样抑制靶点，还可以稳定或竞争性地占据靶点，以改善病理状态。根据其对受体的影响，变构调节剂可以分为三类：正向变构调节剂（PAMs），可以改善正向效应物的作用，但没有固有活性；负向变构调节剂（NAMs），可以抑制正向效应物的功能；沉默变构调节剂（SAMs），可以通过阻断正向和负向变构调节剂的变构位点来抑制变构活性（图2）。图2. 经典的变构抑制剂因此，变构位点的鉴定和相应的药物设计为以前被认为在其正向位点上“不可药性”或“难以靶向”的蛋白质开辟了新的治疗机会。自从变构调节的概念在20世纪60年代首次提出以来，许多变构药物已应用于临床实践。变构药物设计的重点最初是抑制高度保守的激酶和GPCR的活性位点，作为克服正向调节剂在临床应用中出现的不良选择性和耐药性的替代选择。经过十年的发展，目标类别的范围已扩展到其他领域，包括一些缺乏上市药物的不可药性蛋白质，例如KRAS和SHP2。值得注意的是，一些靶点提供了将共价性和变构调节同时应用于药物设计的机会。例如，AMG510（sotorasib），第一个获得FDA加速批准的KRAS抑制剂，是KRASG12C突变体的共价变构抑制剂，凸显了合理设计共价变构药物的重要性。PPIs抑制蛋白质-蛋白质相互作用（PPIs）在生物过程中扮演着重要的角色，如信号传递、细胞增殖、生长、分化和凋亡等。但异常的PPIs会导致多种疾病，如癌症、传染病和神经退行性疾病等。由于不可药性蛋白质通常通过PPIs网络发挥作用，这些网络特征是蛋白质之间的大型、平坦和未定义的界面。这些网络长期以来被认为是不可药性的生物过程。因此，设计靶向PPIs的药物是一种有效的策略，以靶向不可药性蛋白质。相对于其他蛋白质-配体相互作用，如酶、离子通道或受体，设计靶向PPIs界面的调节剂更具挑战性。目前已经研制出许多靶向PPIs的调节剂，其中许多已经成功进入临床。这些PPIs抑制剂可分为几类，包括小分子、抗体、肽或重组蛋白，每种类型都有其优缺点。小分子具有良好的药代动力学特性，如细胞膜渗透性和口服生物利用度，并且在时间和经济方面成本低廉，是制药化学家的首选。然而，它们对于紧密和狭窄的PPIs界面的适用性和选择性差限制了它们在靶向PPIs方面的应用。相比之下，治疗性抗体适用于通常较宽的PPIs界面，具有更强的靶向特异性和高效性，但相应的大分子量限制了它们在靶向细胞外目标方面的应用。此外，单克隆抗体引起的免疫反应相关的不良反应也不可忽视。肽或组合蛋白基于热点设计，保留了结合靶点的关键特性，可以形成更强的亲和力和靶向特异性。但肽和蛋白质具有一般的物理化学性质，如在生理条件下的不稳定性、口服生物利用度和溶解度差，使得它们不是最佳的药物。“热点”位点的发现使得靶向PPIs变得更加有效。热点残基是指在蛋白质之间形成结合位点的PPIs界面。根据抑制剂是否结合PPIs界面，PPIs调节剂可分为正向抑制剂或变构调节剂（图3）。正向抑制剂通过识别热点来设计靶向PPIs界面，而变构调节剂在PPIs界面上没有定义热点时，通过调节非相互作用区域诱导靶蛋白的构象变化。根据结合模式，PPIs调节剂可分为非共价和共价。因此，一些上述共价抑制剂和变构调节剂的情况也是PPIs抑制剂。图3. 经典的PPIs抑制剂靶蛋白的调控随着医学技术的不断发展，直接调节与疾病相关的蛋白质已成为一种治疗不可药性的靶点非常有前途一种有效手段。根据疾病机制，蛋白质调节可以分为两类：蛋白质降解和蛋白质稳定。一种常用的蛋白质调节技术是蛋白质降解技术（PROTAC），它可以通过将蛋白质与泛素连接酶配体结合，使目标蛋白质被降解。PROTAC技术已经成功地应用于靶向降解一些被认为是不可药性的蛋白，如KRAS、Bcl-2、Cyclin D1、STAT3、SHP2、FoxM1、C-MYC和p53。除了PROTAC技术，还有其他创新技术被用于靶向不可药性的蛋白质。例如，分子胶水技术可以用于靶向降解IkZF，ATTEC技术可以用于靶向mHTTh或Tau，DUBTAC技术可以用于靶向转录因子。这些技术也都显示出在靶向不可药性靶点方面的潜力。图4. 靶蛋白的调控策略基于核酸的方法RNA基因治疗是一种利用RNA分子来调节基因表达的治疗方法，近年来受到了广泛的关注和研究。人们逐渐认识到RNA在细胞信息传递和基因调控方面的重要作用，这为靶向RNA提供了治疗以前被认为是“不可药性”的蛋白靶点相关的细胞过程的机会。RNA基因治疗的发展离不开沃森-克里克互补规则的驱动。根据这一规则，RNA分子可以与DNA或其他RNA分子形成互补配对，从而干扰基因的表达。因此，通过设计合适的RNA分子，可以实现对“不可药性”蛋白质的调控，从而拓宽可药性靶点的范围。自从1970年代首次提出以来，RNA基因治疗已经取得了显著的进展，并被分为几个不同的类型。其中，反义寡核苷酸（ASO）和RNA干扰（RNAi）是最具代表性的类型，也是临床开发和治疗应用最广泛的类型。ASO是一类寡核苷酸分子，通过与目标mRNA分子的互补配对，可以引发降解或抑制目标mRNA的翻译过程，从而达到调控蛋白质表达的目的。ASO已经成功应用于一些疾病的治疗，例如肌萎缩性脊髓侧索硬化症（ALS）和家族性高胆固醇血症（FH）等。RNAi是一种通过引入特定的小干扰RNA（siRNA）或微RNA（miRNA）分子来实现基因沉默的方法。siRNA和miRNA可以与目标mRNA分子形成互补配对，从而促使目标mRNA的降解或抑制翻译过程。RNAi已经在许多疾病的治疗中显示出潜力，如肝癌、视网膜色素变性症等。除了ASO和RNAi，还有其他类型的RNA基因治疗方法，如CRISPR基因组编辑和G4稳定化等。这些方法利用RNA分子的特殊性质来实现对基因组的精确编辑或调控（图5）。图5. 以核酸为基础的方法和针对不可药性靶点的案例免疫疗法免疫疗法是一种利用免疫系统来治疗疾病的方法，在调节疾病进展方面发挥着至关重要的作用。近年来，免疫疗法在治疗多种类型的癌症方面取得了卓越的成功，因此备受关注。免疫疗法具有潜力治疗由不可药性蛋白质引起的各种疾病。免疫疗法的范围非常广泛，包括免疫检查点抑制剂、疫苗、特异性抗体和细胞免疫疗法等。这些方法已经被用于改善与p53和RAS相关的疾病的治疗（图6）。图6. 免疫疗法方法针对不可药性靶点的案例靶向上游/下游效应器或辅因子在治疗不可药性靶点蛋白方面，直接调节蛋白质的表达和功能已成为一种有效的策略。然而，由于某些复杂的生物网络和信号通路，有时候直接靶向不可药性蛋白质并不是最好的选择。而通过靶向上游或下游蛋白质来调节相关的信号通路已成为一种间接靶向不可药性蛋白质的替代方法。以RAS为例，失活RAS上游的受体酪氨酸激酶，如EGFR家族，可以减少RAS的激活，从而使抑制EGFR成为治疗RAS突变肿瘤的有效方法。此外，MAPK和PI3K是能够被RAS激活的效应途径，完全抑制MAPK通路可以帮助治疗RAS突变肿瘤 RAS突变肿瘤。因此，RAF抑制剂、MEK抑制剂和ERK抑制剂可以与其他抑制剂组合使用。除了靶向信号通路，靶向转录因子也是一种有前途的方法。转录因子是一类能够调节基因表达的蛋白质。失调的转录因子会导致基因表达异常，从而导致疾病的发生和发展。因此，靶向转录因子成为一种有前途的方法。目前，CDK9抑制剂KB-0742和BD2抑制剂ABBV-744已显示出在转录程序中具有高选择性，使它们成为有吸引力的治疗开发候选药物。诱导合成致死合成致死性是一种起源于古典遗传学的概念，指的是同时发生两个基因突变导致细胞死亡，但是单独突变任何一个基因都不影响细胞存活。这个概念在肿瘤治疗中具有重要意义，因为它提供了一种新的方法来治疗某些癌症类型。在肿瘤中，基因突变会导致细胞生长和分裂的异常，从而形成肿瘤。但是，单个突变的基因往往不足以导致肿瘤的形成，而是需要多个基因的协同作用。因此，鉴定合成致死性基因对非常重要。例如，在KRAS突变细胞系中，RAF1和SHOC2分别编码CRAF和SHOC2已经显示出重要性。这表明抑制CRAF和SHOC2可以用于KRAS突变癌症 KRAS突变癌症的治疗。在Myc的情况下，已经进行了关于合成致死性的Myc的一期临床试验，通过评估每周Dinaciclib与Pembrolizumab联合应用在晚期乳腺癌患者中的安全性和耐受性。在Myc过表达的三阴性乳腺癌（TNBC）异种移植中，使用Dinaciclib抑制CDK1导致合成致死性，并减弱了远处转移。CHK1抑制剂和GLS抑制剂也被认为是治疗Myc过度表达癌症 Myc过度表达癌症的潜在候选药物。2012年Grandori的研究小组进行了高通量siRNA筛选，鉴定出一组与c-Myc过表达细胞生存相关的基因网络，其中CAMK2G被筛选出来，并被进一步验证为该网络中最具潜力的基因。后来， CAMKIIγ被证明是抑制T细胞淋巴瘤必要的靶标，通过不稳定化c-Myc。使用其特异性抑制剂Berbamine抑制CAMKIIγ可以抑制T细胞淋巴瘤的发展并降低肿瘤负荷。靶向翻译后修改(PTMs)翻译后修饰是一种调节蛋白质功能和稳定性的重要机制，对不可药性转录因子的调控具有至关重要的作用。翻译后修饰可以改变蛋白质的亚细胞定位、稳定性、相互作用和DNA结合特异性，从而影响其功能和活性。因此，靶向翻译后修饰已成为治疗相关疾病的一种替代方法。以JAK/STAT信号通路为例，JAKs是该通路的关键成员之一，它们可以使STATs磷酸化，并激活转录因子的活性。因此，抑制JAKs是阻断各种免疫介导的疾病和癌症中JAK/STAT通路异常激活的有效方法。目前，已经开发出多种JAK抑制剂，如Tofacitinib和Ruxolitinib等，这些药物已在临床上得到广泛应用。另一个例子是针对肾性贫血的PHD抑制剂。PHD是羟化酶，可以使HIF-α羟基化，并导致其降解。因此，通过抑制PHD，可以增加HIF-α的稳定性和活性，从而促进红细胞生成和肾性贫血的治疗。目前，已经有多种PHD抑制剂被批准用于临床治疗，如Roxadustat、daprodustat、vadadustat、enarodustat和molidustat等。除了JAK和PHD之外，其他转录因子也可以通过靶向翻译后修饰来进行调节。例如，p53是一个重要的抑癌因子，在多种癌症中发挥着重要作用。一项蛋白质组学研究确定了99个p53抑癌蛋白的222个翻译后修饰位点，这些修饰可以改变p53的DNA结合活性和辅因子相互作用，代表了高度可操作的转录因子活性调节靶标。小结“不可药性”靶点一直是药物发现的挑战。但是，随着新技术的出现，靶向“不可药性”靶点的药物设计策略得到了不断改进，包括开发共价抑制剂、变构抑制剂、靶向蛋白质相互作用等方法。多种药物类型的分子已经被证明是有效的，其中一些已经上市。希望随着更优的治疗策略的出现，药物靶点的范围将进一步扩大，触及各种疾病，并带来具有前景的药物。参考资料1.Recent advances in targeting the“undruggable”proteins: from drug discovery to clinical trials.2.Strategies for targeting undruggable targets.