Nature綜述: 磷酸酶的”不可成藥“性正在被打破

       磷酸酶（phosphatases）的作用是將多種蛋白質(zhì)上的磷酸基團去掉。很久以來，它們已經(jīng)被證明與肥胖癥、糖尿病、癌癥、神經(jīng)退行性疾病等疾病有關(guān)。雖然和它們相對應(yīng)的蛋白激酶已經(jīng)是十多個FDA批準藥物的靶點，但是安全有效的磷酸酶抑制劑仍然難以尋覓。

       這種狀況正在改變。目前至少有6個磷酸酶抑制劑在臨床試驗中接受檢驗。近日《Nature Reviews Drug Discovery》上刊登的一篇文章描述了這一領(lǐng)域的突破性進展。雖然大多數(shù)小分子藥與它們靶點的活性位點相結(jié)合，這些磷酸酶抑制劑的作用方式卻是與活性位點之外的別構(gòu)（allosteric）位點相結(jié)合。別構(gòu)抑制可能是打破磷酸酶“不可成藥”性的成功策略。今天藥明康德微信團隊將跟讀者分享這篇文章的精彩內(nèi)容。

       磷酸酶“不可成藥”性的由來

       蛋白酪氨酸磷酸酶（PTP）的經(jīng)典范例是PTP1B。這一蛋白讓PTP家族擔上了“不可成藥”的名聲。在上世紀80年代，美國冷泉港實驗室的Nick Tonks博士發(fā)現(xiàn)了PTP1B，隨后的研究表明它能夠調(diào)控胰島素敏感性。對于Tonks博士來說，能夠阻斷PTP1B從酪氨酸上去除磷酸基團活性的抑制劑有著非常明顯的抗糖尿病潛力。

       然而要達到這一目標，研究人員需要先證明這個蛋白家族的功能不只是常規(guī)性地清理蛋白激酶留下的磷酸基團。很多研究人員擔心抑制磷酸酶會對多種不同信號通路產(chǎn)生影響，導致嚴重副作用。但是到上世紀90年代末，PTP1B缺失的動物模型表明，抑制磷酸酶可以產(chǎn)生“高度特異性表型”。兩款獨立生成的PTP1B缺失小鼠模型表明，PTP1B失活可以提高胰島素敏感度，而且讓動物對飲食導致的肥胖產(chǎn)生抗性。

       這時候醫(yī)藥公司已經(jīng)爭先恐后地開始以PTP1B作為靶點進行藥物研發(fā)。然而藥物研發(fā)過程困難重重，磷酸化的酪氨酸是一個極性底物，這意味著能夠與PTP1B活性口袋相結(jié)合的配體也大多是極性分子。這導致篩選出來的化合物通常不適合口服，生物利用度低，而且不容易穿過細胞膜。

       只有少數(shù)幾個公司能夠堅持將研發(fā)過程推動到臨床后期，惠氏（Wyeth）公司將它的候選藥物推進到2期臨床，但是由于療效不足和副作用的原因在2002年停止開發(fā)。重復的失敗讓研發(fā)人員對這一蛋白家族的興趣不斷減弱。“人們對活性口袋的研究已經(jīng)很徹底了，” HotSpot Therapeutics公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席科學官Geraldine Harriman博士說：“我不認為以這類蛋白的活性口袋為靶點有任何光明的前景。”

       在這些研究中的一個特例是Aerpio Pharmaceuticals公司的AKB-9778。它與VE-PTP的催化位點相結(jié)合。通過直接皮下注射藥物來治療糖尿病性視網(wǎng)膜病變，它避開了口服遞送藥物面對的挑戰(zhàn)。

       別構(gòu)抑制策略帶來新的希望

       當以PTP活性位點為靶點的研究不斷碰壁時，使用別構(gòu)抑制策略抑制SHP2磷酸酶的進展讓人們重新燃起了對PTP家族的希望。

       SHP2是一個久經(jīng)驗證的PTP癌基因，它正在成為一個令人關(guān)注的癌癥靶點。一部分原因是SHP2是多條激活RAS的信號通路匯聚的節(jié)點， 而RAS的激活對癌細胞的生長和存活都非常重要。“幾乎所有受體酪氨酸激酶（RTK）以激活SHP2為主要途徑，甚至是唯一途徑來激活RAS，”Revolution Medicines公司的首席執(zhí)行官Mark Goldsmith先生說：“因此SHP2抑制劑可能在這個關(guān)鍵節(jié)點上將那些不同的RTK基因突變一網(wǎng)打盡，用一個分子抑制所有活性。”

       由于蛋白激酶與SHP2信號通路的重疊，SHP2抑制劑可以與激酶抑制劑聯(lián)用對相互連接的信號通路進行雙重抑制。這種組合療法可能比單一療法更為有效，而且讓腫瘤不易產(chǎn)生藥物抗性。最近在《Nature Medicine》上發(fā)表的一項研究中，研究人員表明對ALK抑制劑產(chǎn)生抗性患者的細胞，在接受ALK和SHP2抑制劑聯(lián)用治療后，對ALK抑制劑重新敏感。“我認為這可以適用于多種蛋白激酶。”Goldsmith先生說。

       而且，SHP2與免疫檢查點蛋白PD1相互作用，可以調(diào)節(jié)T細胞的活性。雖然這一功能的重要性還仍未確認，但是最近的一篇《Cell》科學論文顯示SHP2抑制劑可能有提高T細胞免疫療法的潛力。

       諾華（Novartis）公司是第一個成功靶向SHP2的公司，該公司在2016年《自然》雜志上發(fā)表的研究表明，小分子抑制劑SHP099能夠?qū)⒅掳┑牧姿崦腹潭ㄔ谑Щ畹臉?gòu)象上。由于靶向催化中心的磷酸酶抑制劑存在的極性和生物利用度方面的問題已經(jīng)為人所知，諾華公司的研發(fā)項目一開始就以別構(gòu)抑制為目標。

       他們設(shè)計了一種篩選測試，旨在發(fā)現(xiàn)能夠與全長SHP2結(jié)合的小分子。用第二種篩選找出能夠與這一磷酸酶的活性位點相結(jié)合的小分子。然后將與活性位點結(jié)合的小分子從第一種篩選的結(jié)果中刨去。這樣研究人員可以從剩下的小分子中發(fā)掘別構(gòu)調(diào)節(jié)因子。諾華開發(fā)的TNO155在2017年已經(jīng)進入治療實體瘤的1期臨床試驗。

       “我認為使用排除法的藥物開發(fā)手段來靶向其它蛋白是一種可行的策略，”諾華公司的資深科學家Matt LaMarche博士說：“如果你能夠設(shè)計出一種檢測，將你不想要的分子過濾掉，你就可以簡化篩選模式。”

       諾華的研究團隊已經(jīng)又設(shè)計出一種檢測，可以刨除與SHP009結(jié)合位點結(jié)合的小分子，這讓他們發(fā)現(xiàn)了另一個別構(gòu)化合物，它可以與SHP2的另一個別構(gòu)位點相結(jié)合。

       這些研究項目讓LaMarche博士對發(fā)現(xiàn)磷酸酶抑制劑的可能性產(chǎn)生了新的領(lǐng)悟。“如果是探索別構(gòu)機制的話，我會愿意開發(fā)磷酸酶的靶向抑制劑。在開發(fā)別構(gòu)磷酸酶抑制劑的項目中，你在重新書寫藥物發(fā)現(xiàn)的準則，這是非常令人興奮的事。”

       別構(gòu)抑制劑的利與弊

       然而別構(gòu)抑制劑的藥物發(fā)現(xiàn)策略也有自己的缺陷，其中包括時間和資本上的投入更高。部分原因是使用全長蛋白進行篩選比使用催化亞基更具有挑戰(zhàn)性，全長蛋白更容易從溶液中沉淀出來，聚集，或者出現(xiàn)物理化學方面的異常行為。而且即便發(fā)現(xiàn)了好的別構(gòu)先導化合物，弄清它與靶點蛋白的結(jié)合位點也并不容易，這讓詳細闡明化合物的作用機制和理解結(jié)構(gòu)與活性之間的關(guān)系變得很具挑戰(zhàn)性。已有的小分子篩選庫可能更富含與活性位點結(jié)合的化合物，因而可能不利于篩選別構(gòu)抑制劑。

       然而，在適合的情況下，例如發(fā)現(xiàn)用其它方法無法成藥的靶點的抑制劑，這些投入是值得的。而且，別構(gòu)抑制劑除了擴展靶點空間以外，還能帶來其它益處。例如，所有PTP的活性位點都需要與磷酸化的酪氨酸結(jié)合，不同PTP之間的活性口袋非常類似。這意味著很難發(fā)現(xiàn)特異性抑制一個PTP而不對其它PTP產(chǎn)生影響的小分子。而不同磷酸酶的別構(gòu)位點不見得是保守的，因此藥物研發(fā)人員可以將別構(gòu)抑制劑的特異性提高一個層次。Tonks博士希望別構(gòu)藥物發(fā)現(xiàn)的策略可以最終帶來PTP1B抑制劑。在2014年，他發(fā)現(xiàn)一個稱為trodusquemine的PTP1B抑制劑可能在HER2陽性乳腺癌中具備療效。

       DepYmed公司獲得了開發(fā)這一藥物治療癌癥的研發(fā)權(quán)。雖然該公司在2017年停止了開發(fā)這一藥物的1期臨床試驗，但是它正在開發(fā)新一代別構(gòu)分子DPM-1001在多種適應(yīng)癥上的應(yīng)用。

       “讓我非常興奮的是我們可以擴展PTP1B抑制劑的應(yīng)用領(lǐng)域，它不但可以用于治療癌癥、糖尿病和肥胖癥，還可以治療神經(jīng)系統(tǒng)的疾病。“Tonks博士說。在2015年，他的研究表明PTP1B可能成為治療Rett綜合征的靶點，這是一種神經(jīng)發(fā)育疾病。

       ▲磷酸酶抑制劑研發(fā)管線部分項目（圖片來源：參考資料[1]）

       充滿潛力的磷酸酶抑制劑領(lǐng)域

       磷酸酶抑制劑領(lǐng)域仍然充滿了機會?；蛱┛斯镜难芯咳藛T去年對磷酸酶進行了基因組和進化分析，他們發(fā)現(xiàn)了189個已知或可能編碼人類磷酸酶的基因。其中40（21%）個在癌癥、神經(jīng)退行性疾病、耳聾和糖尿病等疾病中有和疾病相關(guān)的變異。

       工業(yè)界對PTP在疾病中的功能非常重視，而別構(gòu)抑制劑不僅可以打破PTP的不可成藥性，還可能拓展絲氨酸/蘇氨酸磷酸酶（PPP）抑制劑的開發(fā)。

       PPP抑制劑的研發(fā)需要面對和PTP不同的挑戰(zhàn)。PPP蛋白是由多個亞基構(gòu)成的全酶，它的催化亞基通過與調(diào)控亞基相結(jié)合來賦予全酶的底物特異性。因此上百個不同PPP全酶的催化亞基都是保守的。這導致PPP抑制劑的風險是可能全面阻斷所有的去磷酸化。在上世紀90年代開發(fā)的PP1PPP催化抑制劑“殺死細胞的速度比任何我曾經(jīng)放到培養(yǎng)皿里的有毒物質(zhì)都快。”分子生物學家Anne Bertolotti博士說。

       然而Bertolotti博士發(fā)現(xiàn)了篩選具有選擇性的PPP抑制劑的方法。通過篩選防止蛋白受錯誤折疊影響的分子，她幸運地發(fā)現(xiàn)一個具有選擇性的PPP抑制劑，這項工作在2011年發(fā)表在《科學》期刊上。隨后的研究帶來了這一化合物的改良衍生物——Sephin1。它在臨床前研究中表現(xiàn)出治療腓骨肌萎縮癥（Charcot–Marie–Tooth）和肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS）的潛力。InFlectis BioSciences公司將這款PPP1R15A抑制劑推進到1期臨床試驗，現(xiàn)在它的名字叫IFB-088。

       Bertolotti博士隨后將她的平臺用于發(fā)現(xiàn)與非催化區(qū)域結(jié)合的PPP抑制劑。在今年早些時候發(fā)布在《Cell》上的研究中，她證明PPP的全酶可以在表面等離子共振芯片上組裝，它們可以用于篩選結(jié)合化合物。而使用相關(guān)的全酶進行反向篩選可以去除那些沒有特異性的化合物。作為概念驗證，Bertolotti博士和她的同事發(fā)現(xiàn)了Raphin1，這是一個PPP1R15B的小分子抑制劑，它可能是治療亨廷頓病的候選藥物。

       Bertolotti創(chuàng)建了Camphos Therapeutics公司，使用同樣的篩選策略來發(fā)現(xiàn)其它PPP全酶的特異性抑制劑。與PTP相比，PPP調(diào)控幾乎所有的生物過程，因此具有更大的治療潛力。

       “我曾經(jīng)以為這是一個瘋狂的挑戰(zhàn)，我在嘗試一個不可能完成的任務(wù)，”當Bertolotti博士回顧最初研究PPP家族蛋白的決定時說：“但是我是生物化學家出身，能夠研究一類我們一無所知的蛋白酶絕對是非常讓人著迷的事。”