PPI靶點成藥的關鍵問題及其抑制劑的開發(fā)策略

圖 1. 蛋白質-蛋白質相互作用網(wǎng)絡^[1]。

• PPI 界面面積大 (1500-3000 Å)，難以找到完全結合的藥物。
• PPI 界面均勻平坦，缺乏與配體結合所需要的特異性結合口袋，藥物親和力差。
• PPI 藥物分子量大，溶解度差，難以滿足 Lipinski 類藥“五原則”。
• 蛋白-蛋白之間親和力強，藥物難以破壞。
• PPI 抑制劑的驗證需要大量的生物學實驗。

隨著相關研究的深入，熱點 (Hot Spots) 的發(fā)現(xiàn)使有效靶向 PPI 成為可能。熱點是指 PPI 上一小部分非常重要的氨基酸殘基 (約占 PPI 界面上殘基的 9.5%)，經(jīng)氨基酸掃描 (Alanine Scanning) 突變?yōu)?strong>丙氨酸后結合能增加大于 2 kcal/mol[3]。這些熱點有助于保持 PPI 的穩(wěn)定性，是兩個蛋白發(fā)生相互作用的關鍵[4]。

因此，雖然 PPI 界面面積大，但小分子藥物只需作用于熱點，就能影響調控 PPI 的穩(wěn)定性。

一般情況下，熱點更容易出現(xiàn)在色氨酸、精氨酸和酪氨酸殘基上[5]。

近些年，在藥物開發(fā)工作者的努力下，越來越多的熱點在各類 PPI 中得到確認，而這些熱點也極大程度的推動了 PPI 靶向藥物的開發(fā)進程。
 

PPI 抑制劑可主要分為三類：小分子藥物、抗體以及多肽。

表 1. 不同類型的 PPI 抑制劑類型及優(yōu)缺點^[6][7]。

▐  目標蛋白復合物的晶體結構檢測

圖 2. 經(jīng) HTS 所篩選出的部分 PPI 抑制劑^[5]。 

▐  基于片段的藥物發(fā)現(xiàn) (FBDD)

片段篩選是 PPI 抑制劑篩選的一大重要手段。

• 第一步，構建符合需求的片段庫，MCE 片段化合物庫  (HY-L032) 含有 20,000+ 個小片段，非常適合先導化合物的發(fā)現(xiàn)，并且具有廣闊的化學空間，利于后期進行結構優(yōu)化。

• 第二步，使用表面等離子體共振 (SPR)、核磁共振 (NMR)、X 射線晶體學、和質譜 (MS) 等途徑從片段庫中篩選出熱點小片段。

• 第三步，使用“藥物化學”的方法對篩選出的片段進行結構優(yōu)化 (包括片段延伸、片段合并、片段連接)，目的是增強其與靶點的親和力，改善其藥代動力學性質，最終得到先導化合物[7]。

注意：FBDD 不適用于結構未知的 PPI 靶標。

圖 3. FBDD 法開發(fā) PPI 抑制劑的流程^[8]。

▐  虛擬篩選

虛擬篩選是基于專業(yè)的應用軟件從化合物庫中篩選出命中化合物，通過分析蛋白質表面來定位結合位點。虛擬篩選可被分為基于結構進行篩選和基于配體的篩選。基于結構法依賴于目標蛋白的結構信息，而基于配體法則是根據(jù)已建立的藥效團模型來篩選所需化學特征的藥物分子。

注意：由于大多數(shù)情況下 PPI 并沒有任何已知的配體，因此基于結構的篩選方法更加適合用于 PPI 抑制劑的篩選[9]。

▐  基于結構的藥物設計

基于結構的設計 (Structure-based design) 主要從蛋白復合物的結構出發(fā)，需要對靶標蛋白復合物的相互作用表面進行分析，然后設計出靶向抑制劑。通過生物學實驗，對設計出的抑制劑進行鑒定并進行結構優(yōu)化，最終識別出適用于靶標蛋白的有效藥物。

圖 4. 小分子 PPI 抑制劑的開發(fā)方法^[5]。

[1] Athanasios A, et al. Protein-Protein Interaction (PPI) Network: Recent Advances in Drug Discovery. Curr Drug Metab. 2017;18(1):5-10. 

[2] Lu, Haiying et al. “Recent advances in the development of protein-protein interactions modulators: mechanisms and clinical trials.” Signal transduction and targeted therapy vol. 5,1 213. 23 Sep. 2020, 
[3] Moreira, Irina S et al. “Hot spots--a review of the protein-protein interface determinant amino-acid residues.” Proteins vol. 68,4 (2007): 803-12. 
[4] Cukuroglu, Engin et al. “Hot spots in protein-protein interfaces: towards drug discovery.” Progress in biophysics and molecular biology vol. 116,2-3 (2014): 165-73. 
[5] Sheng, Chunquan et al. “State-of-the-art strategies for targeting protein-protein interactions by small-molecule inhibitors.” Chemical Society reviews vol. 44,22 (2015): 8238-59. 
[6] Xie, Xin et al. “Recent advances in targeting the "undruggable" proteins: from drug discovery to clinical trials.” Signal transduction and targeted therapy vol. 8,1 335. 6 Sep. 2023.
[7] Wu, Defa et al. “Small molecules targeting protein-protein interactions for cancer therapy.” Acta pharmaceutica Sinica. B vol. 13,10 (2023): 4060-4088.
[8] Wang, Zhi-Zheng et al. “Fragment-based drug discovery supports drugging 'undruggable' protein-protein interactions.” Trends in biochemical sciences vol. 48,6 (2023): 539-552. 
[9] Villoutreix, Bruno O. et al. “In silico-in vitro screening of protein-protein interactions: towards the next generation of therapeutics.” Current pharmaceutical biotechnology 9 2 (2008): 103-22.