本文簡(jiǎn)單介紹2020年發(fā)表在ACS Med. Chem. Lett.的一篇別構(gòu)小分子藥物綜述文章《Impact of Allosteric Modulation in Drug Discovery: Innovation in Emerging Chemical Modalities》。當(dāng)然，該文并沒有完全總結(jié)上市的別構(gòu)小分子藥物，但作為參考還是不錯(cuò)的。別構(gòu)是指生物大分子（主要是蛋白質(zhì)）將一個(gè)位點(diǎn)的結(jié)合效應(yīng)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)（通常是遠(yuǎn)端的）功能位點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)活動(dòng)調(diào)節(jié)的過程。每個(gè)受體對(duì)其各自的內(nèi)源性分子都有一個(gè)精確的結(jié)合位點(diǎn)，稱為正構(gòu)結(jié)合位點(diǎn)。正構(gòu)結(jié)合位點(diǎn)往往在不同的受體亞型中高度保守。別構(gòu)位點(diǎn)在結(jié)構(gòu)上、構(gòu)象上和功能上通常不同于相應(yīng)的受體正構(gòu)口袋。

別構(gòu)概念最初應(yīng)用于細(xì)菌調(diào)節(jié)酶和血紅蛋白，但已在多個(gè)靶標(biāo)上如離子通道和GPCR上取得臨床成功。別構(gòu)配體可以表現(xiàn)出多種藥理學(xué)模式，通常包括增強(qiáng)激動(dòng)劑介導(dǎo)的受體反應(yīng)的正別構(gòu)調(diào)節(jié)劑（縮寫為 PAM）和非競(jìng)爭(zhēng)性降低活性的負(fù)別構(gòu)調(diào)節(jié)劑（NAM）。對(duì)ChEMBL數(shù)據(jù)庫的大量別構(gòu)和非別構(gòu)配體化合物進(jìn)行分析，與相應(yīng)的正構(gòu)配體相比，別構(gòu)調(diào)節(jié)劑往往更小、更親脂和更剛性。

歷史上的別構(gòu)小分子藥物

GABA-A類受體（屬于離子通道靶點(diǎn)）調(diào)節(jié)劑苯二氮卓類藥物是別構(gòu)小分子藥物的典型代表，如在1960年代獲批的chlordiazepoxide（1，利眠寧）和diazepam（2，安定）。于2004年上市的cinacalcet（3，一種鈣敏感受體的別構(gòu)激活劑）是最早獲得商業(yè)化監(jiān)管批準(zhǔn)的GPCR別構(gòu)調(diào)節(jié)劑之一。于2007年獲批的Maraviroc （4）是趨化因子CCR5受體的NAM，用于治療HIV。

圖1. 歷史別構(gòu)調(diào)節(jié)劑藥物。

最近獲批和在臨床階段的別構(gòu)調(diào)節(jié)劑Cobimetinib ( 5 , Cotellic) 是由 Exelixis/Genentech 共同開發(fā)的別構(gòu) MEK1/2 抑制劑，于 2015 年獲批用于 BRAF 突變的不可切除或轉(zhuǎn)移性黑色素瘤。異檸檬酸脫氫酶 2 (IDH2) 別構(gòu)抑制劑 enasidenib（6 , Idhifa）于2017年獲批用于治療急性髓性白血病 (AML)。Ivosidenib（7 , Tibsovo）是IDH1別構(gòu)抑制劑，于2018年獲FDA批準(zhǔn)用于治療IDH1 突變和難治性 AML 患者。2019年，Sage Therapeutics 開發(fā)的 GABA A受體正別構(gòu)調(diào)節(jié)劑brexanolone（8 ，Zulresso）獲批用于產(chǎn)后抑郁癥（PPD）。2021年，C5a別構(gòu)抑制劑Avacopan（9）獲批用于治療抗中性粒細(xì)胞胞質(zhì)自身抗體（ANCA）血管炎。2021年，諾華研發(fā)的ABL/BCR-ABL1激酶別構(gòu)抑制劑Asciminib（10）獲批用于治療慢性粒細(xì)胞白血病。2021年，Amgen的KRAS-G12C別構(gòu)共價(jià)抑制劑Sotorasib獲批用于治療KRAS G12C突變的晚期NSCLC。2022年，BMS的Tyk2別構(gòu)抑制劑BMS-986165（11）獲批用于斑塊狀銀屑病。

圖2. 最近獲批和在臨床研究中的別構(gòu)調(diào)節(jié)劑。

此外，還有許多別構(gòu)調(diào)節(jié)劑處于臨床后期。SAGE-217（12）是由Sage Therapeutics開發(fā)的GABA-A類受體別構(gòu)調(diào)節(jié)劑，針對(duì)重度抑郁癥和PPD的3 期臨床試驗(yàn)已達(dá)到臨床終點(diǎn)，已向FDA提交NDA。BIIB104（13，也稱為 PF-04958242）是 Biogen開發(fā)的AMPA 受體，用于改善與精神分裂癥相關(guān)的認(rèn)知障礙，目前已停止開發(fā) 。SAGE-718是一種新型NMDA受體PAM，正在2期臨床研究中，用于治療亨廷頓病、輕度認(rèn)知障礙和阿爾茨海默病導(dǎo)致的輕度癡呆。

PPI別構(gòu)調(diào)節(jié)劑
PPI界面通常不會(huì)表現(xiàn)出常見于酶活性位點(diǎn)的深疏水口袋。因此，小分子PPI正構(gòu)調(diào)節(jié)劑必須與界面上的許多淺口袋結(jié)合緊密，以便與內(nèi)源性配體競(jìng)爭(zhēng)。PPI別構(gòu)調(diào)節(jié)劑則是結(jié)合在蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)界面以外的位點(diǎn)，以便在部分抑制、激動(dòng)和劑量依賴性方面微調(diào)功能。

 BMS-688521（14）是白細(xì)胞功能相關(guān)抗原-1（LFA-1）的拮抗劑，也是LFA-1和ICAM-1的相互作用破壞劑。LFA-1 和 ICAM 之間的結(jié)合被認(rèn)為對(duì)細(xì)胞粘附至關(guān)重要。分子14顯示出優(yōu)異的體外效力和離體功效。共晶結(jié)構(gòu)表明，14粘附在 I 結(jié)構(gòu)域別構(gòu)位點(diǎn)，并阻止將 I 結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)換為高親和力、開放構(gòu)象所需的構(gòu)象變化，從而破壞 LFA-1 與 ICAM-1 的相互作用。

通過對(duì)70,000個(gè)化合物庫進(jìn)行虛擬篩選發(fā)現(xiàn)化合物15成功地阻斷了Runx1 與 CBFβ 的PPI，具有低微摩爾親和力。通過用NMR判斷15結(jié)合在偏離 CBFβ 界面區(qū)域的位點(diǎn)。

圖3. PPI別構(gòu)調(diào)節(jié)劑。

離子通道別構(gòu)調(diào)節(jié)劑
GABA是CNS中的主要抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，靶向GABA-A受體的藥物已顯示出多種藥理學(xué)作用，包括抗焦慮和抗驚厥作用。

Pfizer基于已知GABA-A受體配體的相似性搜索和分子overlays，設(shè)計(jì)并合成了有新骨架的hit 17。但17僅具有中等活性（α2 K i = 33 nM），優(yōu)化后的18顯示出改進(jìn)的活性和GABA亞型選擇性 (α2 Ki= 13 nM，α1 PAM：-5%，α2 PAM = 71%)。微調(diào)效力和物理化學(xué)特性導(dǎo)致發(fā)現(xiàn) PF-06372865（19，圖5）。其它分子包括 Sage Therapeutics 的 NMDA PAM SGE-301(25)( 20 ) 和Amgen的甘氨酸受體增效劑 AM-3607（21）。

圖4. 離子通道別構(gòu)調(diào)節(jié)劑。

GPCR別構(gòu)調(diào)節(jié)劑

乙酰膽堿是煙堿和毒蕈堿受體的內(nèi)源性配體。毒蕈堿受體是A 類GPCR，涵蓋五種亞型（M1至M5）。M1亞型主要在皮質(zhì)區(qū)、海馬體和紋狀體中表達(dá)，對(duì)記憶和高級(jí)腦功能至關(guān)重要。Merck通過HTS篩選出有中等M1活性（0.66 μM）的BQCA（22）。22上的羧酸部分被認(rèn)為可以限制其 CNS暴露；使用生物電子等排策略得到了化合物23（0.41 μM），隨后微調(diào)優(yōu)化得到M1選擇性調(diào)節(jié)劑MK-7622（24） 。

神經(jīng)降壓素受體 1 (NTR1) 是一種在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中廣泛表達(dá)的 GPCR，并且與多種中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病有關(guān)。用HTS篩選到hit分子ML314（25），表現(xiàn)出對(duì)NTR1 受體的完全激動(dòng)劑活性，但對(duì)NTR2 亞型并沒有明顯活性，表明起到了β-arrestin 偏向激動(dòng)劑的作用。化合物25具有中等效力 (EC 50 = 2.87 μM)，并在動(dòng)物模型表現(xiàn)出功效；然而，25的口服生物利用度非常低（大鼠 < 5%）。進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)現(xiàn)了 SBI-553（26），效力提高了~10倍，并顯著提高了生物利用度（大鼠：45%）和 CNS 滲透。

2019年，Lilly利用HTS發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化得到了強(qiáng)效亞型選擇性D1 PAM LY3154207（27）。27及其類似物與ICL2的新位點(diǎn)結(jié)合，該位點(diǎn)與已知的D1正構(gòu)激動(dòng)劑位點(diǎn)無關(guān)。

圖5. GPCR 別構(gòu)調(diào)節(jié)劑。

激酶別構(gòu)調(diào)節(jié)劑

SHP2 是絲裂原活化蛋白激酶 (MAPK) 通路中的一種非受體蛋白酪氨酸磷酸酶，介導(dǎo)細(xì)胞生長(zhǎng)和分化。2016年，諾華發(fā)現(xiàn)了具有選擇性、中等效力且具有口服生物利用度的SHP2抑制劑SHP009（29）。為了提高SHP-009的效力，利用同源模型設(shè)計(jì)了一系列 5,6 元環(huán)稠合類似物，其中類似物30的效力是29的10倍。但30也是有效的hERG抑制劑（IC 50 = 0.004 μM）。通過降低親脂性來降低 hERG活性得到了SHP389（31），顯著減弱了hERG活性（IC50 = 17 μM）。然而，小鼠的PK研究表明其口服生物利用度低且滲透性差。

諾華團(tuán)隊(duì)使用全長(zhǎng)PAK1蛋白篩選了一個(gè)小型分子庫，發(fā)現(xiàn)了對(duì) PAK1 的活性很弱hit 32（IC50 = 12 uM）。共晶結(jié)構(gòu)表明32與PAK1的新別構(gòu)位點(diǎn)結(jié)合，隨后的優(yōu)化得到33，活性達(dá)到納摩爾抑制（PAK1 IC 50 = 5.2 nM）和且對(duì)其它PAK有高選擇性。

核受體別構(gòu)調(diào)節(jié)劑

核受體 (NR) 是一類多結(jié)構(gòu)域蛋白，可調(diào)節(jié)影響各種過程（如繁殖、發(fā)育、炎癥和新陳代謝）的基因。一些針對(duì)別構(gòu)NR的研究，如視黃酸相關(guān)孤兒受體 γ (RORγ)、類視黃醇 X 受體 (RXRα)、雄激素受體 (AR)、法尼醇 X 受體 (FXR)、甲狀腺激素受體 (TR) 或過氧化物酶體增殖物激活受體 γ (PPARγ) 已被報(bào)道。Merck最近發(fā)現(xiàn)的別構(gòu)RORγ反向激動(dòng)劑 MRL-871（34），Genentech和Glenmark開發(fā)了類似的含酸配體（35和36）。

圖6. 激酶和核受體別構(gòu)調(diào)節(jié)劑。

共價(jià)、PROTAC和擬肽別構(gòu)調(diào)節(jié)劑
Merck報(bào)道了第一個(gè)Akt別構(gòu)抑制劑37，對(duì)Akt1（IC50 = 58 nM) 和Akt2 (IC 50 = 210 nM）表現(xiàn)出雙重活性。共晶結(jié)構(gòu)表明37結(jié)合在界面處的別構(gòu)位點(diǎn)。加上Michael 受體warhead后得到38，對(duì)Akt1的結(jié)合親和力明顯提高。38的晶體結(jié)構(gòu)表明親電子warhead確實(shí)與 Cys310 形成共價(jià)鍵，穩(wěn)定了非活性激酶構(gòu)象。

大麻素1受體（CB1R）屬于GPCR A類，主要在大腦中表達(dá)，參與情緒、心血管調(diào)節(jié)、學(xué)習(xí)和記憶等多個(gè)生理過程。CB1R的小分子調(diào)節(jié)劑長(zhǎng)期以來一直是藥物研究的活躍領(lǐng)域。org27569（39）是第一個(gè)靶向CB1R信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的別構(gòu)調(diào)節(jié)劑，已成為功能測(cè)定中正構(gòu)配體CP55940最有效的CB1R PAM (IC 50 = 0.29 nM)。將39的C5位氯原子替換為異硫氰酸酯基團(tuán)，得到更有效的40，且表現(xiàn)出 β-抑制蛋白對(duì)cAMP的高功能選擇性（83 倍）。與39相比，化合物40沒有表現(xiàn)出反向激動(dòng)作用，這可能會(huì)減輕 CB1R 正構(gòu)拮抗劑或反向激動(dòng)劑產(chǎn)生的精神副作用。

此外，新型的別構(gòu)抑制劑還有像的protac分子（41）和擬肽分子（42）。

圖7. 共價(jià)、PROTAC和擬肽別構(gòu)調(diào)節(jié)劑。

參考文獻(xiàn)：
[1] Impact of Allosteric Modulation in Drug Discovery: Innovation in Emerging Chemical Modalities. ACS Med. Chem. Lett. 2020, 11, 1810–1819.