上海交通大學特聘教授，藥物化學與生物信息學中心主任。國家杰出青年基金、長江學者青年項目、萬人計劃等獲得者，《藥學進展》編委。主要從事藥物設計、藥物化學和化學生物學研究，特別在精準靶標識別和 First-in-class 原創藥物先導發現等方向取得了一系列突破性成果，以通訊作者在 Chem Rev、Chem Soc Rev、Acc Chem Res、Nat Chem Biol、Sci Adv、J Med Chem 發表 90 余篇論文，常年擔任 Science、Nat Chem 等 70 余種 SCI 期刊審稿人。由于在“精準靶標識別和 First-in-class 藥物先導發現”方面的貢獻，獲得美國化學會 Excellent Research Advisor、中國藥學會生物醫藥創新獎、2017 年中國十大科技新銳人物、Roche Creative Chemistry Award 和藥明康德生命化學研究獎等榮譽。

張健

（上海交通大學醫學院，上海 200025）

變構效應（allosteric effect）是一種精確調節生物大分子功能的機制，指大部分為蛋白質的生物大分子在遠離底物位點或功能位點的其他區域存在變構位點，這些位點通過傳遞配體結合等作用來造成大分子活性改變的過程。從 20 世紀初對血紅蛋白的玻爾效應研究開始，到上世紀 60 年代由 Monod 和Jacob 教授首次提出變構效應這一概念，再到目前美國 FDA 批準的多個變構藥物上市，變構效應及其在藥物設計中的應用正越來越得到研究者的關注，變構效應更是被稱為“生命的第二秘密”。

變構藥物設計的核心在于發現變構位點與合理設計變構調節劑，從而通過間接的方式調節靶標蛋白活性。相比于靶向蛋白功能位點的正構藥物來說，變構藥物具有一系列天然優勢：其一，變構位點理論上可以位于蛋白表面的任何位置，比起長期進化選擇后的蛋白功能位點，變構位點保守性更低，從而變構調節劑具有更好的亞型選擇性和更低的副作用，具有臨床應用價值；其二，當底物和目標蛋白結合能力較強或者涉及口袋平坦寬大的蛋白 - 蛋白相互作用時，很難開發直接靶向底物位點的藥物分子，而變構調節劑因并不直接結合在底物位點，此時依然可以調控蛋白活性；其三，變構調節劑可以和正構位點的分子共同作用，對蛋白活性進行更加精細和復雜的調節，在精準醫學領域具有應用可能；其四，由于變構調節劑對特定構象的結合，只有在正構小分子存在時，變構調節劑才會對蛋白活性進行調節，這不僅進一步減少了副作用，也有利于組織特異性給藥途徑的探索。近 10 年來，變構小分子數量的激增也證明了變構效應在藥物設計領域受到極大重視。

基于 Sirtuin 6（SIRT6）的變構激動劑設計是合理變構藥物設計的一個典型范例。SIRT6 是一種組氨酸去乙酰化酶，其功能是將乙酰化賴氨酸側鏈的乙酰基轉移到煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD + ）上，在抗炎、DNA 衰老修復和腫瘤控制中起到重要的作用。研究發現，SIRT6 過表達的小鼠明顯更加長壽，且癌細胞更快凋亡，而對正常細胞沒有影響。因此，SIRT6 激動劑的發現可能具有重要的臨床意義。然而，傳統靶向正構位點的藥物設計策略很難達到激動效果。針對酶激動的難靶問題，變構方法則可以大顯身手。筆者課題組采用自主開發的 Allosite 變構位點識別方法，預測了潛在的 SIRT6 正構位點背側的變構位點。在虛擬篩選超過500萬個化合物后，基于變構調節劑的打分原則和實驗驗證，成功獲得了 EC 50 在 200 μmol· L ^-1 左右的 2 個化合物，并通過基于結構的藥物設計方法將EC 50 優化到5 μmol· L ^-1 。小分子和 SIRT6 蛋白的共晶表明，Allosite 有效識別了具有激動活性的變構位點，細胞和動物模型實驗也驗證了激動劑的抗肝癌效果。這項研究不僅為靶向 SIRT6 蛋白的藥物設計提供了良好的先導化合物，促進了對其機制的研究，也為其他酶激動劑的變構設計提供了成功范例。

變構藥物設計因其巨大價值在引起世界各國科研機構和藥物研發公司重視的同時，也面臨著諸多挑戰，主要包括以下幾點：1）有價值的變構位點發現困難。正構配體通常結合在明顯而保守的正構位點，而理論上，除了正構位點之外的任何位置都可能成為變構位點，這造成了變構位點確定的困難，同時也難以測定變構位點與正構位點間的作用偶聯。2）變構耐藥突變容易發生。由于變構位點進化壓力小，變構位點更容易發生突變，從而造成變構調節劑失效，另外由于變構效應涉及蛋白內信號通路，通路上的突變也會造成變構效應的變化。3）變構效應具有種屬特異性。對人源蛋白有效的變構調節劑對于鼠源蛋白可能就會失效，這對于藥物設計的實驗檢驗步驟較為不利。4）變構調節劑與蛋白的共晶復合物不易獲得。通常變構調節劑與蛋白結合力不如正構調節劑，構效關系不易追溯，同時具有較低的水溶性，因此難以獲得調節劑-蛋白共晶結構，從而影響了臨床實驗的進行。

作為生命科學、醫學和化學的交叉領域，變構藥物設計在目前投入大、風險高的新藥發現領域是一個不可忽視的新方向。近年來，在綜合運用實驗手段和計算機輔助藥物設計方法的基礎上，變構領域的方法學研究已取得了一系列進展，對變構藥物設計的蓬勃發展起到了助推作用。在變構數據庫方面，AlloSteric Database（ASD）和 ASBench 等高質量數據資源對位點預測起到了重要作用；在變構位點發現方面，Allosite、Corrsite、PARS 等方法從變構位點的不同性質出發進行預測，為研究者們尋找變構位點提供了極大的便利；在變構信號傳遞和突變分析方面，AlloDriver、AlloSigMA、MCPath 等方法對變構效應的機制探究做出了一定的貢獻，也促進了變構先導化合物的優化；在變構調節劑打分和預測方面，Alloscore 可用于結合活性預測，AlloFinder和 CovCys 等可用于自動化變構分子探測，均已經在變構藥物設計領域有所建樹。從實驗角度出發，X 射線衍射和冷凍電鏡技術的發展提供了更多可用于變構藥物設計的生物大分子結構，核磁共振波譜法也對于變構調節劑的機制研究和輔助結構測定有著很大幫助。近年來，雙電子-電子共振光譜法、氫氘交換質譜法等方法的發展也在變構效應驗證和探索中發揮了作用。基于變構研究方法快速發展，變構調節劑發現逐漸規范化、流程化的事實，變構藥物已經從偶然發現進入到基于結構的合理藥物設計這一階段。

隨著變構藥物設計進入新階段，一些曾經難成藥的蛋白已經陸續有了靶向性的變構調節劑，我國科研人員在變構效應開發方面也有了初步的成效。以蛋白酪氨酸激酶 SHP2 變構抑制劑設計為例，研究者沒有選擇難以靶向的高度保守且帶正電的催化位點進行藥物設計，而是基于變構位點，試圖通過變構抑制劑將蛋白穩定在自抑制構象來發揮抗腫瘤效果。研究者首先針對常見致病突變 E76A 進行了20 000 個化合物的生化篩選，獲得了對 E76A 突變體特異性有效，但對正常 SHP2 無效的化合物，并通過構效關系進一步優化，獲得了優化后的化合物和蛋白的共晶結構。從結構提示的重要相互作用出發，研究者進一步優化了小分子調節劑，將其 IC 50控制在 0.7 μmol· L -1 ，選擇性提高到了 30 倍左右。最終的化合物在分子水平能夠抑制下游絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）通路等過程，在細胞水平也能發揮廣譜的抗癌作用。該 SHP2 的變構抑制劑對于開發新的癌癥療法有所裨益。近期，新發現的針對磷酸甘油酸變位酶 1（PGAM1）的變構抑制劑對非小細胞肺癌的控制效果也值得關注。以之前變構抑制劑的共晶結構為基礎，研究者通過調節磺酰胺的位置，控制了抑制劑和底物的競爭作用，最后成功開發了 HKB99 作為 PGAM1 的抑制劑。該抑制劑不僅可以負向調控 3-磷酸甘油酸向 2-磷酸甘油酸的轉化，抑制腫瘤代謝和溫伯格效應，也可以削弱 PGAM1 和 α-平滑肌肌動蛋白的相互作用，從而抑制癌細胞生長和轉移，還可以通過活性氧依賴的 c-Jun 氨基末端激酶（JNK/c-Jun）信號通路引發癌細胞凋亡。總體上高效控制了非小細胞肺癌的生長和轉移，對未來變構藥物設計也提供了一定參考。在變構激動劑方面，α7型尼古丁乙酰膽堿受體（α7nAChR）的變構調節劑開發可以提供較好的范例。α7nAChR的激動有利于諸如精神分裂癥、阿爾茨海默病等神經精神疾病的控制，由于神經系統中有多個該蛋白的其他亞型，設計高選擇性的變構激動劑的需求度很高。從已知 2-乙基硫烷基-5-氨基噻唑結構出發，研究者首先合成了一個小的化合物庫，并篩選其激動活性，對激動活性較好的化合物做不同修飾，之后基于構效關系進一步優化結合效力和選擇性最好的一類化合物。最終成功設計了化合物 JWX-A1223a 作為 α7nAChR 的選擇性激動劑，同時揭示 N 6 -（2-氯-6-甲基）-苯基是重要的活性基團，為之后的藥物設計鋪平了道路。總的來說，變構調節劑設計可以在腫瘤控制、神經疾病治療等方面提供新策略，而合理變構藥物設計是推動這部分研究不可或缺的力量。

總之，經過百余年的發展，變構調節劑發現從“霧里看花”的隨機猜測和偶然發現，逐漸進入了基于結構的合理設計這一階段。借助日新月異的實驗方法和計算手段，研究人員已經逐漸掌握了變構效應的有關規律。作為藥物設計領域的一片藍海，變構效應必將吸引更多的科研工作者，最終將為人類健康事業做出應有的貢獻。

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