蛋白质组中的“共价药物”

想必大多数人都熟知，也曾服用过阿司匹林这种用于解热、镇痛和抗炎的药物。其是世界三大经典药物之一，由德国公司研制，于1899年上市销售，很快就在全世界范围内获得广泛应用。作为共价药物的典型代表，阿司匹林主要通过共价键的结合来发挥药效作用。

事实上，与非共价药物相比，共价药物有着更多优势，比如，药物剂量低、疗效好、作用时间长等，理论上能够实现对其靶蛋白的100%抑制。

相关数据显示，在过去的50年中，共价药物的开发已经呈现显著的增长态势。许多候选药物在临床试验中取得进展，或即将获得美国食品药品监督管理局（FoodandDrugAdministration，FDA）的批准。如今，至少有50种FDA批准的药物可充当共价抑制剂[1]。

不过，这些共价药物基本上都是通过其亲电性的官能团，与半胱氨酸残基的还原型巯基发生迈克尔加成反应，形成共价化合物来达到发挥药效的目的。

对于半胱氨酸来说，其会通过外源或内源性的活性氧和其他生物氧化剂发生反应，并在细胞中发生多种氧化还原化学反应。经过长时间的发展，蛋白质中会积累半胱氨酸发生氧化后的形式，而这会影响以还原形式为靶标的共价药物的药效。换句话说，氧化后的半胱氨酸残基不容易与亲电性的官能团结合，其会导致耐药性的产生。

因此，一个摆在该领域研究人员面前的直观问题便是，如何克服亲电性药物的氧化依赖型耐药。

“我们过去做了很多关于氧化型半胱氨酸残基的探针研究，因此我们就想尝试一下，基于构成这些探针的官能团，来促进共价药物的开发。”国家蛋白质科学中心（北京）研究员表示。

‍为了拓展寻求共价配体的化学方法，近期，来自国家蛋白质科学中心（北京）和美国斯克里普斯研究所的研究团队，提出了一种极性转换策略，该策略利用半胱氨酸被氧化为次磺酸时发生的“极性反转”，与C-亲核试剂的选择性生物偶联。

“过去都是针对亲核性的半胱氨酸残基，来设计亲电性的共价‘弹头’，但现在我们反过来针对弱亲电性氧化型的半胱氨酸残基，来设计亲核性的‘弹头’。所以说，这其实是一个极性转换的问题。”解释道。‍

图丨支架相同的亲核和亲电子片段具有不同的靶标特征（来源：NatureChemicalBiology）

该团队使用化学蛋白质组学平台，对次磺酸的反应性进行了量化，并筛选了针对人类癌细胞蛋白质组中次磺酸的亲核小分子库。他们在结构和功能不同的蛋白质上，鉴定出了500多种配体次磺酸。这一研究结果说明，在人类的蛋白质组中，不仅还原型半胱氨酸和其他亲核侧链具有配体能力，还存在着大量可配体的次磺酸。

将化学蛋白质组学平台和亲核片段库结合使用，能够在人类蛋白质组中鉴定出比以往更多的次磺酸位点，其中有超过80%的配体位点是独特的，无法被骨架结构相同的亲电性分子片段所结合，并且在DrugBank数据库中收录的“可药靶”仅占29.3%（注：DrugBank数据库是加拿大阿尔伯塔大学提供的关于生物信息学和化学信息学方面的数据库）。

该亲核性片段库的成员被证明能够通过结合氧化型半胱氨酸影响酶活性，并调控蛋白互作及DNA损伤修复等生物学进程。总的来说，该研究为基于亲核试剂的共价配体发现提供了一种独特而又补充的方法。

图丨亲核片段配体性的氧化还原依赖性变化（来源：NatureChemicalBiology）

2023年5月29日，相关论文以《半胱氨酸氧化还原体亲核共价配体的发现》（）为题在NatureChemicalBiology上发表[2]。同期还上线了该期刊配发的专题评述“Flippingthepolarityswitch”，指出该工作为基于亲核性官能团的化学探针与药物开发奠定了基础。

图丨相关论文（来源：NatureChemicalBiology）

图丨专题评述（来源：NatureChemicalBiology）

国家蛋白质科学中心（北京）付玲博士和斯克里普斯研究所博士郑英恩（YoungeunJung）为该论文的共同第一作者，研究员和斯克利普斯研究所凯特·S·卡罗尔（）教授担任论文的共同通讯作者。

“我觉得我们这项研究，不仅拓展了氧化型蛋白质的研究空间，对其它的靶向翻译后修饰的药物开发也具有很强的示范性作用。”表示。

由于目前该团队仅筛选出了一些配体，因此接下来他们计划基于氧化型蛋白质的作用位点，开展新的设计，希望能从中获得一些先导化合物，以进一步探索以亲核为导向的探针和药物开发。

参考资料：

1.Sutanto，F.,Konstantinidou,M.etal.Covalentinhibitors:arationalapproachtodrugdiscovery.RscMedicinalChemistry11,876-884(2020).https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/MD/D0MD00154F

2.Fu,L.,Jung,Y.,Tian,C.etal.Nucleophiliccovalentliganddiscoveryforthecysteineredoxome.NatureChemicalBiology(2023).https://doi.org/10.1038/s41589-023-01330-52

3.Bak,D.W.Flippingthepolarityswitch.NatureChemicalBiology(2023).https://doi.org/10.1038/s41589-023-01347-w