《Nature》：“堵门”还是“锁门”？诺华化学家攻克二十年难题

癌症是对人类生命健康威胁最大的疾病之一，科学家和医生们一直在寻找各种各样的治疗方案。尽管目前免疫抗癌疗法等新方法发展迅速，前景光明，但小分子药物在抗癌领域的地位仍然十分重要。癌细胞内经常会出现蛋白质的异常表达，进而调控癌细胞的各种生理病理行为，设计小分子药物特异性地与关键蛋白质靶标结合并控制其活性，成为一种可靠的抗癌策略。

SHP2是一种在白血病、肺癌、乳腺癌和神经母细胞瘤等多种癌症中发挥重要作用的非受体蛋白质酪氨酸磷酸酶（protein tyrosine phosphatase，PTP），会被癌症中一些过表达的蛋白所激活，例如内皮生长因子受体（EGFR）和人表皮生长因子受体2（HER2），继而促进肿瘤生长。SHP2有两个构象，只有开口构象的SHP2才能发挥促进肿瘤生长的作用，此时它的三个区域呈扇形张开，暴露出活性位点（如下图）。

图1. SHP2的关闭构象（左）和开口构象（右）。图片来源：J. Med. Chem.

过去20多年间，研究者一直努力以SHP2开口构象时的活性位点为靶标研制抑制剂，但一直未获成功。最大的问题在于，他们所用的抑制SHP2极性活性位点的带负电荷化合物，口服用药时很难有效地跨越细胞膜或进入血液循环，因而这些SHP2抑制剂的疗效都不好，甚至没有一例能够进入临床实验阶段。

如今一种新策略的成功应用终于打破了僵局。诺华生物医学研究所（Novartis Institutes for BioMedical Research）的两个团队——William R. Sellers、Travis Stams和Pascal D. Fortin领导的药物研发团队及Matthew J. LaMarche领导的药物化学团队在最新的研究中选用了一种巧妙的新策略避开了这个难题。不同于之前的策略重在抑制开口构象中暴露出的活性位点（“堵门”策略），他们选择用小分子结合在SHP2三个区域的交界处，使SHP2保持关闭构象而活性位点保持自抑制状态，这样就无法促进肿瘤生长（“锁门”策略）。（Allosteric inhibition of SHP2 phosphatase inhibits cancers driven by receptor tyrosine kinases. Nature, 2016, 535, 148-152, DOI: 10.1038/nature18621; Allosteric Inhibition of SHP2: Identification of a Potent, Selective, and Orally Efficacious Phosphatase Inhibitor. J. Med. Chem., 2016, DOI: 10.1021/acs.jmedchem.6b00680）

诺华团队在一个化合物库中筛选能阻止SHP2打开的小分子。开始，他们只得到了亲和力很弱的化合物，他们通过基于结构的药物设计，不断优化小分子的亲和力、细胞渗透能力及适宜口服的性质。最终他们获得了被命名为SHP099的化合物（见下图），它能够选择性地强力抑制SHP2（IC₅₀ = 0.071 μM）。晶体学研究的结果很好的支持了SHP099的变构抑制（allosteric inhibition）机理。研究者发现SHP099占据了SHP2关闭构象的一个隧道状结合位点。这是一个极具战略价值的位置，位于SHP2三个区域的交界处，SHP099在这里就像是一把牢固的“大锁”，把三个区域“锁”在一起，防止它们从关闭构象变成促进肿瘤生长的开口构象。

图2. SHP099的结构式及结合位点。图片来源：Nature

动物实验中，通过口服给药的方式，SHP099能够杀死移植肿瘤小鼠体内的癌细胞。在移植KYSE520癌细胞的小鼠中，口服SHP099（每天100 mg/kg）的效果与口服厄洛替尼（erlotinib，每天80 mg/kg）的效果相当（下图c）。口服SHP099（每天75 mg/kg）对急性髓性白血病（AML）模型小鼠也一样有效（下图d）。

图3. SHP099在小鼠体内的抗肿瘤效果。图片来源：Nature

Max Delbrück分子医学中心的SHP2研究专家Walter Birchmeier表示，“以前没人注意过这个位点，这是个革命性的新思路。”

不过，Birchmeier猜测SHP099有可能会结合其他在心脏或大脑功能中起关键作用的蛋白质，继而产生严重的副作用。但诺华团队发现SHP099的特异性非常好，对与SHP2结构最相似的SHP1都几乎没有抑制作用。在临床前研究中，SHP099对非靶向蛋白的抑制微乎其微，例如一些离子通道和G蛋白偶联受体。

柏林自由大学（Free University of Berlin）的药学家Jörg Rademann认为，虽然SHP099的临床效果怎么样还未可知，但其优越的细胞渗透性是巨大的优势，而且前期研究也表明它确实能够很好地杀死癌细胞。

诺华团队目前已经申请专利，并继续优化这个很有前景的小分子，以期尽早开始临床试验。

氘评：

这个新策略的核心是用小分子结合靶标蛋白三个区域的交界位点，使其不能变成可促进肿瘤生长的构象。小分子SHP099就像一把“大锁”，将靶标蛋白SHP2的大门“锁”起来，保持自抑制的“无害”状态。看来药物研发中，策略的选择往往比多合成几个化合物要重要啊。

1. http://www.nature.com/nature/journal/v535/n7610/full/nature18621.html

2. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jmedchem.6b00680

3. http://cen.acs.org/articles/94/i28/Novel-strategy-finds-long-sought.html

（本文由氘氘斋供稿）

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