本文來自微信公衆号：X-MOLNews
近年來，可逆共價抑制劑的開發在藥物化學領域中備受關注。這類抑制劑藥物在與非靶向目标結合時，可以利用其可逆的反應特性，重新解離得到活性的抑制劑物種，進而最大限度地減少脫靶反應，也避免了對靶向蛋白的永久修飾，是以具有較低的毒性和副作用。得益于可逆共價抑制劑研究的發展，已有多種重要的藥物得到開發，例如抗癌藥物bortezomib和用于治療鐮狀細胞病的藥物voxelotor。
研發可逆共價抑制劑的關鍵在于找到和利用合适的可逆共價反應。波士頓學院高建民課題組緻力于生物分子官能團可逆共價反應的研究，該課題組在過去的幾年中相繼報道了可逆的亞氨基硼酸酯 (iminoboronate，圖1) 化學以及它在分子探針和環肽合成的應用 (Nat. Commun., 2015, 6, 6561; J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 2098; J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 6137)。相對于一般的亞胺結構，亞氨基硼酸酯具有更高的熱力學穩定性，進而提高了硼酸類分子探針或抑制劑和氨基靶标分子結合的力度。近日，該團隊在氨基的可逆共價反應研究中再度創新，發展了一類新型的靶向賴氨酸側鍊氨基的可逆共價反應。
圖1. 靶向賴氨酸氨基的兩種可逆共價反應。與iminoboronate化學（左）相比，diazaborine化學（右）呈現出大幅減慢的解離速率。
這個新的可逆共價反應采用了一個設計精巧的彈頭（warhead），RMR1（圖1）。RMR1彈頭是苯甲醛和鄰氨甲基苯硼酸（AMPB）的偶聯産物。如圖2所示，由于N-B的配位作用，AMPB在中性水溶液中呈現封閉構象，進而硼酸可以促進RMR1與賴氨酸氨基結合生成亞胺，然後環化生成重氮硼烷水合物（diazaborine hydrate）。這個化學反應具有極好的生物相容性，且在生物體系中完全可逆。但和iminoboronate的快速解離不同，diazaborine hydrate呈現出更好的動力學穩定性 – 它在中性水溶液中的半衰期是10小時，而iminoboronate的半衰期在毫秒量級。
圖2. 重氮硼烷的可逆形成機理
基于對這些氨基可逆反應的深度了解，該團隊設計了一系列的金黃色葡萄球菌分選酶 (sortase) 的可逆共價抑制劑。首先，他們通過噬菌體展示技術篩選了一個sortase的環肽配體（W7）。随後，在計算模組化的輔助下，他們設計合成了RMR1彈頭并将其安裝到環肽配體中。安裝了RMR1彈頭的環肽P5（圖3）對sortase的抑制效率提高了13倍。更重要的是，由于RMR1和賴氨酸結合産物的動力學穩定性，P5在金黃色葡萄球菌上展現了長效的sortase抑制功能：當更換媒體去除環肽P5六個小時後，sortase的活性隻得到了40%的恢複，而其他沒有RMR1彈頭的環肽的抑制作用則在更換媒體後立即消失。這些實驗結果充分表明，通過調節可逆化學反應的解離速率，可以實作長效的可逆共價抑制作用。由于賴氨酸是蛋白質中最常見的氨基酸之一，期待RMR1彈頭可以在可逆共價抑制劑設計中得到廣泛的應用。另外，RMR1對氨基的修飾也适用于非蛋白類的含氨基的生物分子研究中。
圖3. Sortase可逆共價抑制劑的設計（左，中） 和功效研究 （右）。裝有RMR1彈頭的環肽P5在更換媒體（模拟體内的藥物清除）6小時後依然表現出顯著的抑制效果。
上述成果近期發表在J. Am. Chem. Soc.上，通訊作者為美國波士頓學院高建民教授。
Lysine-Targeting Reversible Covalent Inhibitors with Long Residence Time
Rahi M. Reja, Wenjian Wang, Yuhan Lyu, Fredrik Haeffner, and Jianmin Gao*
J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 1152–1157, DOI: 10.1021/jacs.1c12702