最新发表在JMC上的一篇论文Structure- and Similarity-Based Survey of Allosteric Kinase Inhibitors, Activators, and Closely Related Compounds，通过对变构激酶抑制剂和激活剂的X射线结构综合分析，归纳了变构抑制剂的结合位点及其口袋，总结了变构抑制剂的结构特性。

截止到目前，62种激酶抑制剂已被美国FDA批准上市（其中3个变构抑制剂），200多种激酶抑制剂正在临床开发中；有超过130 000种分子具有可靠的激酶抑制活性，涵盖人类518种激酶的80%以上；由300多种激酶和3000多种抑制剂组成的复合物的5000多种X射线结构已存入蛋白质数据库（PDB）。

激酶抑制剂根据其作用方式和结合位点的位置被分为不同的类型：I型、 I1/2型和II型抑制剂通常靶向ATP位点，而III型和IV型抑制剂结合在ATP位点之外并通过变构机制发挥作用。由于不同激酶的ATP口袋具有高度的保守性，人们认为变构抑制剂剂可以具有更好的靶点选择性，并能克服I/II型激酶抑制剂的耐药。

然而，变构激酶抑制剂的发现并非常规设计，常常是偶然发现的。尽管到目前设计变构激酶抑制剂尚有困难，但是已经有相当数量的变构抑制剂通过X射线结构得到证实。他们的结合模式通常以个案的形式探讨。因此，探索激酶变构口袋特征和规律，对于变构抑制剂开发具有重要意义。

作者利用PDB等数据库中变构配体与人类激酶（不包括非典型激酶）复合物的X射线结构及相关数据，发现81个Ⅲ型抑制剂与ATP位点附近的特征性变构口袋结合，15个二价抑制剂占据ATP位点和邻近的变构口袋。此外，还鉴定了81种IV型抑制剂和10种（共价）VI型抑制剂结合在远离ATP位点的不同口袋中。此外，19个激酶激活剂被发现容纳在不同的变构口袋中。

作者系统地总结这232个变构化合物的结合位置，通过对相应X射线结构的分析揭示了12个结合位点（指定为A-L，其中A为ATP位点），其中11个被鉴定出变构结合口袋（B-L）：

  • B口袋：III型抑制剂的结合位点，在2004年通过X射线晶体学得到证实，并且最广泛地表征，其结构包含90种III型或VI型抑制剂。B口袋参与了催化铰链区的形成。

  • C口袋：该结合口袋位于靠近B口袋的αC-螺旋附近，迄今为止已在PDK1、AURKA和CDK2中鉴定到。2009年报道了与C口袋-抑制剂复合物的第一个X射线结构（PDB ID:3HRF）。对于该结合位点，共鉴定出41种独特的配体，包括IV型和VI型抑制剂以及激活剂。

  • D口袋：2008年报道了第一个与D口袋结合的配体的X射线结构（PDB:3C5U）。到目前为止，已经鉴定出24种独特的化合物与D口袋结合，包括IV型和VI型抑制剂以及激活剂。一些化合物对催化活性没有可检测的影响。在四种激酶中发现了这种结合位点，包括三种MAPK亚型（MAPK8、MAPK10、MAPK14、CSNK2A1）。

  • E口袋：E口袋容纳IV型抑制剂和激活剂。在2003年，由c-ABL激酶和内源性肉豆蔻酰抑制剂复合物的结构被确定，揭示了E口袋（PDB:1OPL），此后被称为肉豆蔻酰口袋。共鉴定出三种抑制剂和四种激活剂与该口袋。除了c-ABL外，CDK2中也检测到了这个口袋。Asciminib是第一个针对肉豆蔻醇口袋的变构BCR-ABL1抑制剂，目前正在进行治疗慢性粒细胞白血病的3期临床试验。

  • F口袋：这个口袋在结构上已被证实，并于2013年首次被描述。然后在α亚单位激酶结构域和β亚单位碳水化合物结合区之间的界面上的四种AMP依赖激酶中被鉴定。在这个位点结合的抑制剂触发构象变化，阻止α/β-亚单位相互作用。到目前为止，已经确定了25种IV型抑制剂或激活剂的结构。与这个口袋结合的激活剂被认为可以稳定调节亚单位的结合。

  • G口袋：这个口袋于2009年首次在CHK1中被报道。据报道，配体结合在这个位置有抑制作用，但没有引起可检测到的构象变化。在我们的结构调查中，我们还发现了激酶PDK1中的这个口袋。

  • H口袋：靠近ATP位点的H口袋是二价（V型）抑制剂的主要靶点，迄今为止已有23种被鉴定。此外，有25个主要片段样IV型抑制剂结合到这个口袋。该位点于2017年首次被描述，并被称为αD-口袋，因为它的存在取决于αD-螺旋的位置。

  • J口袋：2017年首次在AURKA中描述了这个口袋，并确定了八种针对该位点的IV型抑制剂的结构。与F口袋类似，J口袋映射到催化结构域的顶部，是背面，而不是正面。在另一种激酶（BTK）中也检测到J口袋。

  • K和L口袋：关于口袋袋I、K和L的信息很少，直到2、3年前才被首次报道。到目前为止，每个口袋只在一个激酶中观察到，包括CDK2（I），AURKA（K）和NTRK1（L），并且只有一个或两个抑制剂的结构可用。对于I口袋，这两种抑制剂都是共价结合的。

作者汇总了这些变构口袋的具体信息如下表，概括了11个变构口袋的规律特点：

  • 7个对应于激酶催化位点的前端，而4个则对应于后端；它们广泛分布于催化结构域的表面；

  • 口袋B代表已知的III型（加共价）变构抑制剂的结合位点，口袋I只有VI型抑制剂可用，其余9个变构口袋中被归类为IV型抑制剂结合位点；

  • 二价抑制剂仅与A（ATP）位点和相邻的变构H口袋结合，没有发现针对其他口袋组合的二价抑制剂；

  • 在23个已鉴定的二价化合物中，有8个为多位点配体，因为它们与H+A口袋结合以及F或D口袋结合，这是一个令人惊讶的发现；

  • C、D、E和F口袋还可与已知的激酶激活剂结合；

  • 非共价和共价抑制剂（IV型和VI型）都被容纳在C、D和K袋中；

  • 背面的变构袋C和正面的D袋可以容纳非共价和共价激酶抑制剂以及激活剂。

  • 在变构位点发现的所有共价抑制剂都只针对半胱氨酸残基：10种共价化合物中有7种是丙烯酰胺，1种是烯酮，其余两种抑制剂形成二硫键。

变构结合位点是在激酶中固有存在的还是在配体结合时诱导的，是别构激酶抑制领域的一个重要问题，对药物设计有重要意义。作者比较了apo和holo型激酶与IV型（或VI型）抑制剂的结构，发现通常观察到的变构口袋都相当浅；AGC激酶的数据揭示在没有结合化合物的情况下，口袋C就存在，并在结合配体后发生额外的构象变化。而其他激酶又表现出较深的变构口袋。结果摘要见下表：

作者接着归纳了人类激酶组中变构口袋的分布：

  • 除CK1组外，所有主要激酶组均检测到了变构结合位点，表明变构化合物可用于多种不同的激酶；

  • 来自TKL和STE组的激酶被发现仅包含靠近ATP位点的B口袋，该位点结合Ⅲ型和Ⅵ型抑制剂；

  • 两个酪氨酸激酶和五个丝氨酸/苏氨酸激酶含有多个变构口袋，包括III型、IV型、V型或VI型化合物的结合位点；

  • 发现来自不同组的四种激酶包含至少三种不同的变构位点，：TRKA（B，F和L口袋）、AURKA（C，J，K）、CDK2（B，E，I）和CK2a1（B，D，F，H），四个变构口袋是作者分析到的最大数目。

作者进一步分析变构化合物的结构及其结合口袋的特征：

  • 占据B口袋的III/VI型抑制剂分子量最大，其平均分子量>450 Da；

  • C-G口袋中的IV/VI型抑制剂通常较小，平均分子量<400 Da；

  • 对于所有这些口袋，结合化合物的大小有显著差异；

  • 占据F袋的化合物分子量变化最大，其次是G口袋，中值接近400 Da；

  • 相比之下，与H、I、J和K口袋结合的化合物要小得多，分子量在200到300 Da之间，并且通常呈碎片状；

  • 口袋D的变构抑制剂具有特别高的配体效率；

  • 尽管分子大小变化较大，但变构抑制剂针对其他口袋的配体效率是有差异的。

作者最后分析了169个变构抑制剂和485个ChEMBL类似物的高置信度靶点注释信息，他们靶向115个靶点，其中包括24种激酶。如下表所示，多个变构激酶抑制剂包括具有5个或更多靶点，也可能对包含激酶和非激酶靶点都有活性。

总之，变构激酶抑制正被药物药物开发寄予厚望。近年来，越来越多的变构激酶抑制剂被报道，但多数仍是偶然发现。本文通过数据分析，揭示了11个变构口袋。在结构比较的基础上，作者发现几个激酶变构口袋在配体结合时发生了显著的构象变化：这为基于“静态”结构的药物设计方法提供了一个困难的场景，另外变构口袋往往相当浅，因此很难获得构象变化后配体结合的证据。

文献：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.jmedchem.0c02076

声明：发表/转载本文仅仅是出于传播信息的需要，并不意味着代表本公众号观点或证实其内容的真实性。据此内容作出的任何判断，后果自负。 若有侵权，告知必删！