大环肽:开启「不可成药」靶点药物发现的新时代

健康   2024-11-04 15:48   湖北  

综述的主要目的

这篇综述于2024年10月25日在线发表于Chemical Reviews。主要目的是全面回顾和展望大环肽类药物在针对'不可成药靶点'(undruggable targets)方面的研究进展。作者重点梳理了核酸编码库筛选 (Nucleotide-Encoded Library Screening, NELS) 技术在这一领域的应用,总结了大环肽的环化 (cyclization)结构稳定 (stapling) 等关键设计策略,并总结了利用NELS获得的环肽类化合物在靶向多种难成药靶点方面取得的重要进展。
之所以在当前阶段对这些问题进行系统性的回顾,主要基于两点考虑:
  1. 近年来,随着抗体、核酸、工程蛋白等新型药物形式的蓬勃发展,制药研究的'不可成药'边界正在被不断推进,许多此前被认为难以成药的靶点正成为新的研究热点。在后Ro5时代,迫切需要系统梳理这一领域的研究现状和突破进展。

  2. 大环肽 (macrocyclic peptides) 介于小分子药物与大型蛋白质类药物之间,在针对多种具有挑战性的靶点(如蛋白质-蛋白质相互作用 (PPIs)内在无序蛋白 (IDPs) 等)时展现出独特优势。随着NELS等技术的快速发展,利用大环肽针对不可成药靶点的研究取得了一系列突破,亟需对相关进展进行系统总结,为后续研究提供参考。

对该领域发展历程的回顾

综述对大环肽针对不可成药靶点的研究历程进行了系统回顾,重点介绍了NELS技术的发展和成熟。主要可分为以下几个阶段:
  1. 噬菌体展示 (phage display)、mRNA展示等早期NELS技术的建立和应用。作为最早建立的NELS平台,噬菌体展示和mRNA展示在20世纪90年代就已广泛应用于环肽类药物的筛选,并催生了首批针对难成药靶点的环肽类先导化合物的发现。

  2. 遗传密码扩展技术的发展。进入21世纪,遗传密码扩展技术的快速发展(尤其是氨酰-tRNA合成酶 (aaRS)/tRNA 等系统的建立)极大拓展了NELS平台中可引入的非天然氨基酸种类,使得环肽库的结构多样性得到显著提升。

  3. 多种新型环化/构象稳定策略的涌现。随着环肽药物研发的深入,越来越多新颖的环化和构象稳定策略被开发出来,如硫醚 (thioether) 交联、二硫键 (disulfide bridge)、点击化学 (click chemistry)、关环复分解(RCM) 等,极大丰富了大环肽类先导化合物的结构类型。

  4. 针对典型不可成药靶点的突破性进展。2010年以来,利用NELS平台针对小GTP酶 (small GTPases)、PPIs、IDPs 等多个典型不可成药靶点取得了一系列关键突破,如靶向KRas、Myc等'最难啃的骨头'的环肽抑制剂相继被发现,充分彰显了该策略在难成药靶点领域的应用前景。

  5. 组合化学等新型NELS技术的兴起。近年来,DNA编码库等组合化学衍生的NELS技术快速兴起,通过将NELS与片段合成等经典药物发现策略相结合,进一步拓展了针对不可成药靶点环肽类先导物的发现途径。

利用核酸编码文库技术开发大环肽靶向'不可成药'靶点的研究进展与展望

本综述围绕利用核酸编码文库筛选 (Nucleotide-Encoded Library Screening, NELS) 技术开发大环肽 (macrocyclic peptides) 靶向'不可成药'靶点这一主题,系统总结了相关领域的关键研究进展,主要包括以下几个方面:

1. NELS平台的建立和技术拓展

综述回顾了NELS技术从上世纪90年代噬菌体展示 (phage display)、mRNA展示 等经典方法发展至今的历程。作者指出,进入21世纪以来,遗传密码扩展 等新技术的出现极大拓宽了NELS平台可用的氨基酸种类,为构建结构更加多样化的环肽文库奠定了基础。
A huge variety of npAAs can be introduced into the RaPID system, which is discussed further in section 2.4.
此外,DNA编码库等组合化学 衍生的新型NELS技术的兴起,为从事该领域研究的科学家们提供了更加丰富的技术选择。

2. 环肽分子设计策略的不断丰富

为增强环肽类化合物的药物属性,尤其是构象稳定性和膜通透性,一系列新颖的分子设计策略被开发出来。综述重点介绍了以下几类策略:

2.1 环化策略

通过在肽链特定位点引入二硫键 (disulfide bridge)、硫醚 (thioether)、酰胺键 等化学键合,可有效束缚肽链构象,提高结构刚性。值得一提的是,近年来关环复分解 (RCM) 环化策略大放异彩,极大丰富了环肽类化合物的结构多样性(图3)。
A plethora of staples have been reported, and a recent review by Hu and co-workers covers the topic in great depth. Generally, the four most common stapling strategies are lactamization, ring-closing metathesis (RCM), click-chemistry, and thioether formation.
图3

2.2 支架(scaffold)稳定策略

引入外源性支架(scaffold)也是稳定环肽构象的重要策略。氢键替代物 (HBS)、烃基支架肽 (hydrocarbon-stapled peptides) 等新型支架分子的出现,极大提升了环肽药物分子的构象稳定性,为针对多种PPI靶点开发抑制剂提供了新的分子模式(图4)。
Clearly the most popular and successful stapling strategies recently have been all-hydrocarbon-stapled peptides (Figure 4A) and hydrogen bond surrogate (HBS) based stapled peptides, both prepared through RCM, pioneered by the Verdine lab, which have yielded an impressive array of potent PPI inhibitors.
图4. 代表性支架(scaffold)稳定环肽构象策略

2.3 非天然氨基酸引入

在环肽序列中引入非天然氨基酸 (non-proteinogenic amino acids, npAAs) 可极大拓展其化学与构象空间。近年来,npAAs在NELS平台中的应用日益普遍,如环状β-氨基酸、D-氨基酸等的引入大幅提升了环肽类化合物的蛋白酶抗性和构象稳定性(图6)。
Of particular interest are npAAs that can strongly influence the secondary structures of cyclic peptides. For instance, cyclic β-amino acids are promising building blocks for peptide-based therapeutics due to their ability to induce strong helix/turn structures, enhance structural rigidity, and increase proteolytic resistance.
图6. 代表性非天然氨基酸引入策略

3. 针对代表性'不可成药'靶点取得突破

得益于NELS技术平台和环肽分子设计策略的快速发展,近年来环肽在针对多个'不可成药'靶点领域取得了令人瞩目的突破性进展。

3.1 针对KRas等'不可成药'蛋白的抑制剂发现

KRas等Ras家族小GTP酶由于缺乏明显的结合口袋,长期被认为是'不可成药'的。综述重点介绍了NELS技术在发现Ras抑制剂方面的突破性进展,尤其是Shokat和Suga两个课题组利用修饰的RaPID (Random nonstandard Peptide Integrated Discovery) 体系,发现了一系列选择性靶向KRas GTP结合态的环肽类抑制剂(图8)。这些研究成果有力推动了人们对'不可成药'靶点的认识,为开发新一代抗肿瘤药物提供了新的思路。
A GTPase switch, KRas exists primarily in a GTP-bound 'on' state and a GDP-bound 'off' state. The G12D mutation results in a loss of GTPase activity, effectively locking KRas in its 'on' state and leading to aberrant activity such as promoting tumor growth. With this in mind, the screening strategy focused on identifying a binder selective for the GTP-bound ('on') state over the GDP-bound ('off') state.
图8. 针对KRas的RaPID筛选策略

3.2 靶向蛋白-蛋白相互作用(PPIs)

蛋白-蛋白相互作用由于缺乏明显的结合口袋,是公认的'不可成药'靶点。综述指出,大环肽在模拟PPIs方面具有得天独厚的优势,可以通过模拟多个关键热点(hot spots) 的方式实现高亲和力、高选择性的结合(图9)。在针对p53-MDM2、Wnt通路等关键PPIs领域,一系列环肽类先导化合物被成功发现,极大拓宽了针对此类靶点的药物发现思路。
The proposed model of 'hot spots' stipulates that, while the absence of a conventional binding pocket precludes standard druggability, compounds can be designed that target multiple hot-spots through binding fragments connected to some sort of scaffold (Figure 9A).
图9. 针对PPIs的环肽抑制剂设计策略

3.3 调控内在无序蛋白(IDPs)

内在无序蛋白由于在生理条件下呈现高度动态无序状态,其药物设计面临巨大挑战。综述介绍了近年来利用NELS发现针对Myc等关键IDPs的环肽调节剂的重要进展,并指出针对IDPs的短线性基序(SLiMs)进行筛选有望成为该领域的重要突破口。
There are two prevalent strategies to target IDPs: natural binder-mimicry/hot-spot targeting and allosteric site hunting.
The Ivarsson lab has leveraged a modified NELS technique termed proteomic-peptide phage display (ProP-PD). They recognized that many IDPs act via short linear motifs (SLiMs) and that there is a severe dearth of information on the sequence identity, distribution, and interactivity of these motifs, leading to a significant gap in the mapping of the human interactome.
综上所述,本综述系统梳理了近年来利用NELS技术开发大环肽靶向'不可成药靶点'这一领域的研究进展,重点总结了NELS技术平台的发展历程、环肽分子设计的关键策略,以及在KRas、PPIs、IDPs等代表性靶点上取得的突破性进展。这些进展极大拓宽了人们对'不可成药靶点'的认识,为开发新一代创新药物提供了全新的思路和策略。同时,综述也指出了该领域目前面临的主要挑战,尤其是环肽类化合物普遍存在的膜通透性差等问题,并对解决这些问题的前沿策略(如支架肽、环肽嫁接等)进行了系统展望,为广大研究者提供了难能可贵的启示和参考价值。

核心观点小结

综述基于对NELS技术发展历程、环肽分子设计策略演进、针对代表性靶点研究进展的系统梳理,得出了以下核心洞见:大环肽在针对传统'不可成药'靶点方面展现出了独特优势和广阔应用前景。随着NELS筛选平台和环肽分子设计新策略的不断完善,以及人工智能等新兴技术的助力,环肽有望在不远的将来成为解决'不可成药'难题的'利器',引领药物发现领域的变革和突破。要充分发挥环肽的应用潜力,目前仍需着力解决其膜通透性差等关键瓶颈问题,这需要药物化学、化学生物学等多学科的协同创新。

对未来发展趋势的预测

针对大环肽开发不可成药靶点药物这一领域的未来发展,作者提出了一些重要判断和展望:
  1. 细胞通透性改善策略的进一步突破。这是当前环肽类药物面临的最主要瓶颈。作者认为,随着支架肽、环肽嫁接等新型分子设计策略的不断涌现,环肽的细胞通透性有望在不久的将来取得实质性改善。

  2. 基于结构的环肽药物分子设计将成为可能。作者预测,随着环肽-靶点复合物结构信息的日益丰富,理性设计有望在环肽先导化合物优化中发挥更大作用,加速环肽类药物的优化和发展进程。

We foresee that beyond the continuous development of new design scaffolds for macrocyclic peptides and technical improvements for NELS methods, the emergence of design guidelines will enhance the optimization of peptide hits to drug candidates.
  1. 联用策略将成为环肽开发不可成药靶点药物的重要途径。作者提到,将环肽与其他药物发现策略(如PROTAC、抗体偶联等)联用,有望在解决环肽类药物的局限性(如通透性差、体内半衰期短等)方面取得新的突破。

  2. 环肽嫁接将是重要发展方向。将NELS获得的高亲和力环肽嫁接到特定蛋白质支架上,不仅可显著提升其构象稳定性和代谢稳定性,更有望通过融合功能基团(如细胞穿透肽)等方式赋予环肽新的药物属性。作者认为这一策略在针对胞内难成药靶点方面前景广阔。

Grafting of a CPP motif on exposed loops of engineered proteins has been reported, which could be combined with other grafting techniques to deliver grafted peptide binders.
此外,作者还提到遗传密码扩展、化学合成等技术的不断进步,将为环肽类先导物的结构多样性带来新的提升空间。而随着新型人工智能算法的发展,从NELS数据中准确解析环肽的构效关系有望成为可能,将极大加速环肽类药物的优化进程。

对感兴趣读者的启示

对于对该领域感兴趣但缺乏背景知识的读者,我建议重点关注以下几点:
  1. 系统了解环肽类化合物在针对传统难成药靶点方面的独特优势,以及主要的NELS筛选技术原理。

  2. 重点掌握环化、支架stabilization、非天然氨基酸引入等几类最主流的环肽分子设计策略。

  3. 对几个代表性靶点(如KRas、p53-MDM2、Wnt通路PPIs等)上取得的研究进展有所了解,这些案例很好地展示了环肽策略在该领域的应用前景。

  4. 关注环肽类药物当前面临的主要挑战(尤其是细胞通透性差这一核心问题),以及一些有前景的解决思路(如支架肽、环肽嫁接等)。

  5. 留意NELS技术、分子设计新策略的进一步发展,以及人工智能等新兴技术在该领域可能带来的变革性影响。

这篇综述较为全面地介绍了利用大环肽开发针对不可成药靶点药物这一研究领域的发展历程、现状以及未来趋势,并对几个研究案例进行了深入剖析。对于了解该领域的总体图景、把握其研究前沿而言具有很好的参考价值。读者可重点关注环肽分子设计的核心策略、针对代表性靶点的突破性进展,以及当前环肽类药物面临的主要瓶颈问题。相信这将有助于读者快速建立起对该领域的全局认识,激发进一步探索的兴趣。
Biosyn导师:Hiroaki Suga
Hiroaki Suga教授是一位在化学生物学领域成就卓著的科学家。他目前在东京大学担任教授,主要从事利用核酸编码文库技术开发非天然肽类药物的研究工作。
Suga教授1986年在日本冈山大学获得工学学士学位,之后前往瑞士洛桑大学深造。1989年,他在冈山大学获得工学硕士学位。1994年,Suga教授在美国麻省理工学院获得博士学位,师从著名有机化学家正宗悟教授。
博士毕业后,Suga教授在哈佛医学院从事博士后研究,师从RNA结构与功能领域的权威Jack W. Szostak教授。1997年至2003年,他在纽约州立大学布法罗分校任助理教授和副教授。2003年,Suga教授回到日本,先后在东京大学先端科学技术研究中心和理学系担任教授,至今已有近20年。
在学术兼职方面,Suga教授曾担任多个著名化学和化学生物学期刊的编委,如Angewandte Chemie、Cell Chemical Biology、ACS Chemical Biology等。目前,他是RSC Chemical Biology的编委会主席。
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