磷脂酰肌醇3-激酶(Phosphoinositide 3-kinase，PI3Ks)是胞內(nèi)脂質(zhì)激酶，可催化肌醇第3位的磷酸化(PIP2→PIP3)。與膜結(jié)合的PIP3為含有PH結(jié)構(gòu)域的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白提供了靶定錨點，進(jìn)而介導(dǎo)多種重要信號通路，例如活化下游PI3K/Akt/mTOR信號通路。PI3K通常分為Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型3 類。其中，Ⅰ型分為IA型和IB型， IA型由受體酪氨酸激活，根據(jù)催化亞基p110的不同又可分為PI3、PI3Kβ 和PI3Kδ 3個亞型；編碼PI3Kα的基因PIK3CA突變是腫瘤發(fā)生中最常見的突變，這使PI3Kα成為藥物研發(fā)領(lǐng)域中極為重要的靶點。
然而，盡管做出相當(dāng)大的努力，迄今為止，以PI3K抑制劑為基礎(chǔ)治療實體瘤的臨床結(jié)果一直令人失望。只有2019年5月FDA批準(zhǔn)的治療乳腺癌的藥物，Alpelisib；第二個有希望的GDC0077正在進(jìn)行臨床試驗。這些藥物都是典型的ATP競爭性的，因為PI3K異構(gòu)體中ATP結(jié)合位點幾近一致，嚴(yán)重的濃度依賴性副作用是常見的。從結(jié)構(gòu)上理解生理條件下的PI3Kα激活機制，以及激活癌基因突變、聯(lián)合突變的存在，將對創(chuàng)新型藥物的研發(fā)大有裨益。更重要的，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)靶向PI3Kα原癌基因時，Alpelisib能夠有效地影響特定突變組合的信號強度，這也向科學(xué)家拋出了該藥物如何發(fā)揮作用的難題。
鑒于此，我們本次聚焦PI3Kα，詳盡回顧歷來PI3K抑制劑的抑制機制及其特定藥物發(fā)現(xiàn)過程中遇見的挑戰(zhàn)，并提出了新的PI3Kα抑制劑開發(fā)策略：i) 正構(gòu)與變構(gòu)抑制劑的聯(lián)合使用；ii) 挽救突變指導(dǎo)藥物的發(fā)現(xiàn)。
(一) PI3Kα的激活機制
在質(zhì)膜上，PI3K通過與RTK、RAS相互作用被激活。RTK將PI3Kα招募到膜上并促進(jìn)其產(chǎn)生nSH2結(jié)構(gòu)域自抑制解除的構(gòu)象變化，從而暴露PI3Kα的活性位點；Ras在其中的作用僅是將脂質(zhì)底物PIP2穩(wěn)定在相對較淺但可被PI3Kα容納的活性位點。因此，Ras介導(dǎo)的變構(gòu)效應(yīng)對PI3Kα激活影響不大。
當(dāng)前，已知具有腫瘤驅(qū)動特征的PI3Kα突變造成異常激活機制的大同小異。例如，PI3Kα上的E542K和E545K可以模擬RTK解除PI3Kα自抑制效應(yīng)；H1047R則模擬RAS在PI3Kα激活過程的作用機制。如上圖所示，這些突變主要發(fā)生在螺旋域和激酶結(jié)構(gòu)域（深紅部分），對PI3Kα活性影響較大，屬于強突變；而存在于ABD和C2結(jié)構(gòu)域表面的突變（淺紅部分）屬于弱突變。最近的臨床研究發(fā)現(xiàn)，許多病人同時存在多突變，大部分是一個強熱點突變與一個或多個弱激活突變配對，如E453Q/K，E726K和M1043V/I，共同激活PI3Kα。
由于ATP結(jié)合位點在PI3K多個亞型中的高度一致性，PI3K抑制劑的藥物研發(fā)一直被選擇性不足所阻礙，如何獲得高特異、低毒害的抑制劑藥物此時顯得尤為必要。隨著變構(gòu)等藥物研發(fā)新技術(shù)的發(fā)展，靶向另一種變構(gòu)位點使得高同源蛋白的選擇性抑制劑成為可能，這鼓舞著藥物科學(xué)家們努力探索PI3Kα新的可靶向變構(gòu)位點。
(二) PI3K抑制劑
Pan-PI3K抑制劑可作用于所有亞型蛋白，它們?nèi)狈我粊喰偷尼槍π裕虼司哂胁煌潭鹊臐撛诙拘?，大多?shù)已經(jīng)停止研發(fā)。與之相反的，趨向于特異亞型的抑制劑具有較小的脫靶毒性。2019年，F(xiàn)DA批準(zhǔn)了首個PI3Kα的特異性藥物Alpelisib，作用于PI3K p110α的正構(gòu)位點，其聯(lián)合內(nèi)分泌療法Fulvestrant（氟維司群）用于攜帶PIK3CA基因突變、激素受體（HR）陽性、人表皮生長因子（HER2）陰性、接受內(nèi)分泌治療方案期間或之后進(jìn)展的晚期或轉(zhuǎn)移性乳腺癌患者（包括絕經(jīng)后女性和男性）。除此之外，Alpelisib還發(fā)現(xiàn)可以與BRAF抑制劑encorafenib 和anti-EGFR單克隆抗體cetuximab共同用藥被可以降低毒性，臨床療效較好。但值得注意的是，Alpelisib與其他，如靶向PI3K通路的蛋白抑制劑，組合用藥評價后發(fā)現(xiàn)依然具有副作用。
(三) PI3Kα的正構(gòu)及其它潛在位點
PI3K各亞型中的ATP結(jié)合位點均位于激酶結(jié)構(gòu)域的兩個結(jié)構(gòu)單元（lobe）之間，這兩個結(jié)構(gòu)單元被一個鉸鏈（hinge）分開。I型PI3K的ATP結(jié)合位點高度同源，只有幾個邊緣的殘基不同。這些殘基可進(jìn)一步劃分為兩個區(qū)域，第一個鄰近鉸鏈區(qū)（四個殘基），第二個是位于P-loop處的較小的可變區(qū)。這兩個區(qū)域的非保守殘基有助于增強抑制劑的選擇性。對于PI3Kα，鉸鏈非保守區(qū)是關(guān)鍵。抑制劑GDC-0326就延伸到該區(qū)域，其酰胺組成與Gln859相互作用，Ser854也與此抑制劑形成氫鍵，穩(wěn)定抑制劑的結(jié)合。我們以Alpelisib，解析該位點可抑制的關(guān)鍵相互作用。
Alpelisib靶向ATP結(jié)合位點，并與P-loop和鉸鏈區(qū)形成大量相互作用。該位點中與Alpelisib接觸的殘基大多是家族保守的，只有鉸鏈區(qū)五個殘基（R852，N853，S854，H855和Q859）具有一定差異性。在該藥物的設(shè)計中值得關(guān)注的是R852和Q859兩個殘基，因為其他三個殘基的側(cè)鏈都暴露在溶劑中，幾乎不參與形成與Alpelisib的相互作用。R852可以與激酶結(jié)構(gòu)域N-lobe中的E798形成鹽橋，在PI3Kγ（K831-E814）中也觀察到類似的鹽橋作用，而PI3Kβ中對應(yīng)的S849則完全沒有類似的相互作用的建立。Q859與Alpelisib可以形成雙氫鍵，對亞型選擇性具有重要地位。該殘基在PI3Kβ（D856）和PI3Kδ（N836）變得較短，在PI3Kγ（K890）中依然足夠長，可以參與氫鍵的形成。因此，這些差異性可能是Alpelisib對PI3K不同亞型的選擇性的關(guān)鍵。Alpelisib對PI3Kα（~5 nM）的IC50值最好，其次是PI3Kγ（~250 nM），PI3Kδ（~290 nM）和PI3Kβ（~1200 nM），這強調(diào)了鉸鏈區(qū)域在介導(dǎo)亞型選擇性中的重要作用。
由于ATP結(jié)合位點的正構(gòu)抑制劑與ATP位點的結(jié)合是較不穩(wěn)定的，需要高的給藥濃度來彌補，隨之而來的是脫靶效應(yīng)帶來的較高毒副作用。進(jìn)而，當(dāng)部分PIP2脂質(zhì)牢固地錨定在膜上的時候，底物結(jié)合位點較淺，不利于抑制劑的長時間穩(wěn)定存在。因此，尋找其他的變構(gòu)位點進(jìn)行PI3K抑制劑的研發(fā)可以開辟新的方向。
為了尋找變構(gòu)位點，一些研究機構(gòu)通過基于片段的篩選，鑒定出在E542K和E545K突變處存在多個可與磷酸肽結(jié)合的變構(gòu)抑制位點（F1-F5），其中位于ABD和激酶結(jié)構(gòu)域N-lobe之間的變構(gòu)位點最具潛力。該口袋較深且具有相當(dāng)?shù)氖杷?，靶向該口袋的抑制劑有望結(jié)合在ABD和iSH2的界面，從而以穩(wěn)定PI3Kα在失活構(gòu)象。
(四) PI3Kα抑制劑展望
由于正構(gòu)位點的保守性，利用變構(gòu)技術(shù)來設(shè)計PI3Kα亞型特異性抑制劑是未來的一個替代策略和考慮。該技術(shù)涉及變構(gòu)位點的識別（包括表面和隱式變構(gòu)位點）和變構(gòu)小分子藥物的設(shè)計。變構(gòu)小分子可根據(jù)位點結(jié)構(gòu)設(shè)計“Anchors” 和“Drivers”片段連接組成。其中，Anchors負(fù)責(zé)結(jié)合到變構(gòu)位點，其構(gòu)象在蛋白非活性和活性狀態(tài)的過渡期間保持不變，而Drivers “拉”和/或“推”蛋白質(zhì)原子，使蛋白受體演變?yōu)槠涮幱谝种频姆腔钚詷?gòu)象。
Imatinib是一種正構(gòu)ATP競爭型的藥物，可以抑制BCR-ABL的致癌突變。然而，突變往往會影響B(tài)CR-ABL的ATP結(jié)合位點的理化性質(zhì)，致其耐藥。其中T315取代引起的與藥物的空間沖突是最為顯著的。Gray的團隊，經(jīng)過篩選、優(yōu)化得到的GNF-5變構(gòu)化合物，可穩(wěn)定結(jié)合在BCR-ABL C端的豆蔻鹽口袋，與口袋周圍殘基形成相當(dāng)多的疏水、vdW相互作用和水介導(dǎo)的氫鍵。GNF-5也可調(diào)整BCR-ABL的構(gòu)象，使其活性位點對imatinib 和nilotinib重新敏感。這個有效的正構(gòu)與變構(gòu)藥物聯(lián)合用藥的概念有可能未來在PI3Kα上進(jìn)行的嘗試。
參考文獻(xiàn)
[1] Zhang, M., Jang, H., & Nussinov, R. (2020). PI3K inhibitors: review and new strategies. Chemical science, 11(23), 5855–5865. https://doi.org/10.1039/d0sc01676d
[2] Ni, D., Li, Y., Qiu, Y., Pu, J., Lu, S., & Zhang, J. (2020). Combining Allosteric and Orthosteric Drugs to Overcome Drug Resistance. Trends in pharmacological sciences, 41(5), 336–348. https://doi.org/10.1016/j.tips.2020.02.001
110102000668（1）號