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在細(xì)胞中直接鑒定非共價藥物結(jié)合口袋

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目前絕大多數(shù)生物體內(nèi)源性活性分子、小分子藥物和天然產(chǎn)物與其靶標(biāo)蛋白的結(jié)合是非共價的,通常以氫鍵、п-п堆積等作用力與靶點(diǎn)蛋白結(jié)合。


在小分子藥物開發(fā)過程中,確定藥物與靶點(diǎn)蛋白之間的結(jié)合方式至關(guān)重要,一方面有助于理解藥物作用機(jī)制,另一方面為其后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。結(jié)構(gòu)生物學(xué)技術(shù),包括X-ray, cryo-EM, NMR等,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于藥物結(jié)合模型確定中,尤其是高分辨率的藥物-蛋白共晶結(jié)構(gòu),能夠極大的幫助藥物結(jié)構(gòu)優(yōu)化。然而,一直以來,蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析都是生命科學(xué)研究中的挑戰(zhàn)性任務(wù),尤其是GPCR,離子通道等膜蛋白靶點(diǎn)。通常,為了得到蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu),需要進(jìn)行蛋白質(zhì)表達(dá)純化,人工篩選藥物和蛋白結(jié)晶條件,晶體數(shù)據(jù)采集和解析等過程,需要大量的時間和成本投入。


在細(xì)胞水平,確定藥物和靶點(diǎn)蛋白質(zhì)的直接作用方式,是藥物開發(fā)者夢寐以求的事情,避免了蛋白質(zhì)在純化過程中結(jié)構(gòu)的丟失以及人工篩選的緩沖體系和高濃度藥物-蛋白條件帶來的假陽性。

近年來,隨著交叉學(xué)科技術(shù)在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展,化學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)在藥物靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)和結(jié)構(gòu)模型鑒定中大放異彩。

如下圖所示,其原理是利用具有生物活性的光親和化學(xué)探針(與藥物分子活性類似),在藥物正常使用濃度下,與疾病相關(guān)細(xì)胞或組織孵育,原位快速光交聯(lián)即可將藥物分子探針與蛋白質(zhì)靶點(diǎn)之間的非共價作用轉(zhuǎn)化為共價作用,經(jīng)過靶點(diǎn)蛋白質(zhì)富集,酶切釋放非修飾肽段,選擇性富集藥物分子探針修飾肽段,借助于高分辨生物大分子質(zhì)譜,即可快速確定肽段信息。


由于化學(xué)探針僅能與空間臨近的肽段,即結(jié)合口袋附近的肽段發(fā)生原位交聯(lián),因此,通過該肽段信息不僅能夠確定靶點(diǎn)信息,同時能夠獲得藥物結(jié)合口袋信息,再借助于分子對接,能夠快速得到藥物與靶點(diǎn)蛋白質(zhì)的結(jié)合模型,供后續(xù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與使用。



圖1 活細(xì)胞中,非共價藥物的結(jié)合口袋發(fā)現(xiàn)


近日,廈門大學(xué)林圣彩院士與鄧賢明教授利用化學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)揭示了二甲雙胍的分子靶點(diǎn),研究團(tuán)隊通過對二甲雙胍結(jié)構(gòu)改造,使其具有光交聯(lián)位點(diǎn)。應(yīng)用原位快速光交聯(lián)策略和點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng),利用質(zhì)譜檢測,鑒定出PEN2蛋白上與二甲雙胍相關(guān)的關(guān)鍵活性位點(diǎn)F35和E40。(成果刊已發(fā)表:《Nature》(DOI: 10.1038/s41586-022-04431-8))


圖2二甲雙胍類似物探針捕獲及鑒定結(jié)合口袋過程化學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)加速了細(xì)胞內(nèi)代謝物、天然產(chǎn)物、合成藥物等小分子的靶點(diǎn)研究和全新藥物先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn),為小分子新藥研發(fā)注入了新的活力,使得原來被認(rèn)為“不可成藥”的蛋白質(zhì)有了成為新的治療靶點(diǎn)的可能。不斷發(fā)展的化學(xué)蛋白組學(xué)技術(shù)已經(jīng)成為了新藥研發(fā)的強(qiáng)大助力,提高了藥物研發(fā)的成功率,將藥物開發(fā)帶入了高速發(fā)展的新紀(jì)元。


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