蛋白激酶是經(jīng)過很多實驗和事實驗證的有效的抗癌藥物靶點，截至2017年，美國FDA總共批準了38個小分子蛋白激酶抑制劑，其中大部分用于癌癥的治療。同時激酶作為其他疾病的靶點有效性的驗證工作也在進行中，包括神經(jīng)失調(diào)，炎癥及代謝類疾病。

人蛋白激酶由500多個激酶組成，負責磷酸化底物蛋白的氨基酸殘基(絲氨酸，蘇氨酸以及酪氨酸)中的羥基受體轉移的化學過程，調(diào)控細胞內(nèi)的信號傳導過程，如細胞的生長、分化、凋亡。而異常的激酶活動會觸發(fā)不適當?shù)男盘杺鲗б约安豢煽氐募毎L，從而引發(fā)多種疾病，尤其是癌癥。因此，小分子激酶抑制劑具有很大的新藥開發(fā)潛力。

蛋白激酶的活性區(qū)域

大多數(shù)激酶都是由至少兩個結構域組成，一個是催化結構域，負責綁定并磷酸化底物蛋白；一個是調(diào)控結構域，直接與輔助蛋白相互作用，這個輔助蛋白通過改變構象調(diào)整催化結構域的催化活性。催化區(qū)域的核心結構是由一個小的N端區(qū)域和一個大的C端區(qū)域通過一個鉸鏈區(qū)相連而構成。N端區(qū)域主要是由多個β-折疊而成，而C端區(qū)域則主要由a-螺旋組成，ATP結合區(qū)就位于由N端和C端區(qū)域之間的(圖1)。

圖1 催化以及鉸鏈區(qū)殘基構型

蛋白激酶抑制劑的設計策略

在多種FDA批準的小分子蛋白激酶抑制劑的研發(fā)史中，基于結構的分子設計一直占有很重要的位置。自從1991年第一個蛋白激酶A(PKA)的晶體結構被報道以來，已經(jīng)有多于1000多個X射線晶體結構被報道，其中大多數(shù)晶體結構是高分辨的。圖2展示了幾種比較有代表性的FDA批準的上市藥物包含的鉸鏈結合雜環(huán)骨架，其中很多都被用于設計多種靶標激酶的高活性抑制劑，包括：VEGFR, Kit，B-Raf, EGFR, KDR等。小分子激酶抑制劑的先導化合物大多可通過高通量篩選、虛擬篩選或者基于碎片的篩選獲得。

圖2 FDA批準的激酶藥物中的代表性雜環(huán)及官能團結構與鉸鏈區(qū)的相互作用(虛線部分)

激酶抑制劑根據(jù)其結合位點可以分為三類：一類是作用于ATP結合位點，其為第一類激酶抑制劑；一類是作用于調(diào)節(jié)區(qū)，其為第二類激酶抑制劑；第三類激酶抑制劑又叫做別構抑制劑，靶向遠離ATP結合位點的疏水口袋，但是可以通過引起ATP結合口袋構象變化來調(diào)節(jié)激酶活性。

1．第一類激酶抑制劑設計

第一類抑制劑擁有一個雜環(huán)骨架可以占據(jù)核苷結合區(qū)。同ATP分子中的核苷類似，這個雜環(huán)骨架也可以與鉸鏈區(qū)形成三個氫鍵的相互作用。抑制劑的優(yōu)化可以通過基團來擴展分子與相鄰疏水口袋的相互作用。Dasatinib是第一類抑制劑，由噻唑先導化合物(8)設計而來。圖3展示了設計的藥效基團模型。

圖3 Dasatinib的設計及藥效基團模型

GSK通過一系列的篩選發(fā)現(xiàn)了先導化合物9，依靠蛋白激酶域模型而進行的起始結構修飾發(fā)現(xiàn)了活性化合物10，化合物10與VEGFR的晶體結構證明了該分子結合在ATP結合區(qū)。后續(xù)的優(yōu)化使得抑制劑11被發(fā)現(xiàn)，最終上市(圖4)。

圖4 9，10，11的結構與活性

2．第二類激酶抑制劑設計

同第一類抑制劑相似，第二類激酶抑制劑與激酶中ATP結合位點結合，但是這類抑制劑可以將相互作用延伸到一個別構位點，這個別構位點只有在激酶處于非激活狀態(tài)下才能被利用。目前只有3個第二類抑制劑被批準上市：伊馬替尼，尼洛替尼和索拉菲尼，但是這些抑制劑卻是最成功的。

雅培研發(fā)中心從噻吩并嘧啶結構骨架化合物26出發(fā)(圖5)，通過移除嘧啶環(huán)中的CH得到五元環(huán)結構來模擬ATP分子中的腺嘌呤與鉸鏈區(qū)的結合模式，研究人員設計了化合物27，28，通過引入二芳基脲得到了一系列的高活性分子，如化合物30。這個分子在小鼠模型中同樣表現(xiàn)了良好的口服藥效。

圖5 基于3-氨基吲唑的結構設計及活性

3．別構抑制劑設計

別構激酶抑制劑通常也稱為第三類激酶抑制劑，它們與激酶抑制劑別構位點結合，這個區(qū)域不是ATP結合位點，通過誘導激酶構象變化來調(diào)節(jié)ATP分子與激酶結合從而使激酶處于非激活狀態(tài)。由于這類分子結合在激酶的特異性位點，因此這類抑制劑有最好的選擇性。

武田制藥曾經(jīng)設計了一類基于結構的別構抑制劑。通過高通量篩選，他們發(fā)現(xiàn)了活性化合物38，39，為了打破與鉸鏈區(qū)的結合，通過對吡咯氮原子的烷基化得到化合物40，但是化合物40的細胞活性差，對聯(lián)苯基團的結構優(yōu)化得到了更好細胞活性的化合物41(圖6)。

圖6 38-41的結構與活性

蛋白激酶是非常重要的藥物設計靶點，其基于結構的設計構想，包括FDA批準的藥物中的所用的一系列與鉸鏈區(qū)結合的雜環(huán)以及官能團的設計都是很好的學習材料。本文是筆者的學習筆記，其中謬誤之處還請大家指出，本文的主要內(nèi)容來源于《Structure-based Design of Drugs and Other Bioactive Molecules: Toolsand Strategies》及其中譯本。