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在一項新的研究中，來自美國加州大學(xué)舊金山分校的Kevan Shokat團隊和Luke Gilbert團隊發(fā)現(xiàn)了一種細胞攝取途徑，它對由連接亞基組成的較大藥物分子特別重要。這一知識可以被用來構(gòu)建新的藥物，盡管它們很大很復(fù)雜以便與它們的靶標(biāo)進行最佳結(jié)合，但卻能被靶細胞高效攝取。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2022年12月9日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“IFITM proteins assist cellular uptake of diverse linked chemotypes”。
大多數(shù)傳統(tǒng)藥物都是小分子，遵循簡單的分子規(guī)則，促進良好的細胞攝取和有利的化學(xué)特性，包括限制分子大小和分子表面粘性化學(xué)基團的數(shù)量。 然而，由于特異性問題，許多關(guān)鍵的藥物靶標(biāo)，比如經(jīng)常參與癌癥產(chǎn)生的激酶，極其難以用傳統(tǒng)藥物加以靶向---“有超過500種人類激酶，它們在藥物結(jié)合的口袋中非常相似，使得選擇性地靶向這個家族的單個成員成為一個困難的挑戰(zhàn)，并導(dǎo)致不理想的藥物副作用”，論文第一作者Kevin Lou解釋道。 為了緩解這些問題，并接觸以前被認為是“無法用藥物靶向”的新細胞靶標(biāo)，一些較新的藥物類別變得更加龐大和復(fù)雜。但只有少數(shù)這樣的例子遠遠超出了典型的化學(xué)規(guī)則，并對細胞內(nèi)的靶標(biāo)保持非常有效的藥物作用。 一般來說，Gilbert解釋說，“人們一直不愿意設(shè)計、合成和測試這樣的分子，因為它們遠遠超出了標(biāo)準(zhǔn)的藥物設(shè)計規(guī)則，人們只是認為它們不會進入細胞。重要的是，這些具有多個部分的較大藥物分子對它們的靶標(biāo)的特異性往往要高得多---它們有兩把分子鑰匙，必須同時插入兩個相鄰的鎖中，從而提高了特異性?！?/p> 但目前還不清楚這些較大的藥物分子是如何進入細胞的，也不清楚我們可以遵循什么樣的設(shè)計規(guī)則來開發(fā)利用這種分子連接來實現(xiàn)高效力和高特異性的新藥物。Gilbert說，通過發(fā)現(xiàn)一種允許這些藥物進入我們細胞的細胞通道，這項新研究“使得科學(xué)家們能夠超越標(biāo)準(zhǔn)的藥物設(shè)計規(guī)則進行思考，并考慮更大的連接分子是否能夠以新的方式靶向蛋白或靶向我們以前認為無法靶向的蛋白”。 當(dāng)你不知道你在尋找什么，甚至不知道是否存在一種新途徑時，你如何找到一種新途徑？一種強大的方法是進行全基因組功能篩選，測試單個基因?qū)毎^程的重要性。幾年前，吉爾伯特率先開發(fā)了CRISPRi和CRISPRa篩選，其中CRISPR與向?qū)NA庫一起使用，以減少或增加人類基因組中一個基因的表達水平。當(dāng)應(yīng)用于數(shù)以百萬計的細胞時，每個細胞在不同的基因上得到不同的修改，這樣就可以確定哪些基因操縱導(dǎo)致了感興趣的功能結(jié)果差異。 在這種情況下，這將意味著尋找使得細胞與未連接的藥物分子相比對連接的藥物分子更敏感或更有抵抗力的基因表達操縱，并進行追溯以確定哪些基因?qū)φ{(diào)整這一過程是重要的。 Shokat團隊和Gilbert團隊在人類白血病細胞系中進行了這些成對的CRISPRi（基因抑制）和CRISPRa（基因激活）篩選，然后用一種大型的實驗性連接抗癌藥物RapaLink-1進行處理。 這些作者立即發(fā)現(xiàn)，與對未連接的藥物分子的反應(yīng)相比，這種連接藥物分子對一些基因操縱的反應(yīng)截然不同，這意味著與傳統(tǒng)的小藥物分子相比，RapaLink-1依賴于不同的細胞進入和/或藥物作用途徑。令人鼓舞的是，許多結(jié)果相互加強：抑制一個特定的基因可能導(dǎo)致細胞對該藥物的抵抗力，而激活同一基因則會促進對該藥物的敏感化。
RapaLink-1化學(xué)結(jié)構(gòu)式，圖片來自Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05213-y。 最引人注目的結(jié)果是一組三個密切相關(guān)的基因，它們似乎能促進RapaLink-1的活性，但對未連接的藥物分子沒有影響。這些基因編碼IFITM蛋白，它們因在抗病毒防御中的作用而聞名，但此前沒有證據(jù)表明它們會影響藥物的作用方式。僅僅通過調(diào)節(jié)IFITM蛋白的水平，這些作者就能極大地改變RapaLink-的效力約30倍。 這些作者觀察了659種不同的細胞類型，發(fā)現(xiàn)IFITM的表達水平與對RapaLink-1的敏感性之間有很強的相關(guān)性，支持它在不同類型的細胞中發(fā)揮普遍作用。通過擴大到17種不同的連接藥物分子和未連接的藥物分子，他們確定，IFITM基因表達的影響在不同類型的連接藥物分子中是一致的。 以前的研究已指出IFITM蛋白位于我們的細胞表面上，識別許多不同類型的病毒，并阻止它們進入我們的細胞，從而阻止感染。但它們與細胞對RapaLink-1的反應(yīng)會有什么關(guān)系？這些作者測量了細胞攝取RapaLink-1和相關(guān)藥物的熒光版本的能力。 Lou說，“我永遠不會忘記我們第一次能夠看到IFITM表達較低的細胞對RapaLink-1的攝取較少的那一刻。相反的情況也是如此：提高IFITM水平會增加藥物進入細胞的速度?！绷硪环矫妫琁FITM蛋白表達水平對未連接的“傳統(tǒng)”藥物穿過細胞膜的效果沒有影響。 利用他們所學(xué)到的知識，Shokat實驗室接下來設(shè)計了兩種新的連接藥物，他們假設(shè)這兩種藥物可能利用這種細胞進入途徑。他們通過連接子將兩種已知的白血病蛋白BCL-ABL1抑制劑---達沙替尼（dasatinib）和阿思尼布（asciminib）---連接在一起而產(chǎn)生了DasatiLink-1。由于每種藥物都與靶蛋白上的一個不同的口袋結(jié)合，他們推斷，這種連接藥物版本可以像雙叉鑰匙插入兩把鎖一樣將自己附著在兩個接觸點上，從而提高它的特異性和有效性。他們還設(shè)計了bisrc -1，將化療藥物楝酰胺（rocaglamide）的兩個分子連接在一起，使得它能夠橋接該藥物靶蛋白的兩個拷貝。值得注意的是，盡管這兩種連接藥物都違反了傳統(tǒng)的藥物設(shè)計原則，但他們發(fā)現(xiàn)這兩種連接藥物都能進入細胞，與它們的靶標(biāo)緊密結(jié)合，并與未連接的藥物分子一樣有效。這兩種連接藥物獨特地依賴于靶細胞中IFITM蛋白的表達，支持IFITM途徑在許多類型的連接藥物分子中的普遍作用。 引人注目的是，這些作者發(fā)現(xiàn)DasatiLink-1僅對BCL-ABL1激酶具有精確的特異性，而它的兩個成分藥物分子在未連接時具有更寬松的特異性。Lou解釋說，“需要多管齊下的結(jié)合機制的連接抑制劑分子的選擇性要高得多”，只要它們能夠有效地進入細胞，就具有很大的優(yōu)勢。 由于這項新的研究，我們?nèi)缃窳私饬诉B接藥物用來進入人體細胞的一種主要細胞通道。這不僅回答了生物醫(yī)學(xué)中一個長期存在的問題，還為設(shè)計更好的可以利用這一進入途徑獲得更高的藥物有效性和特異性的分子連接物鋪平了道路。Gilbert建議，未來有可能“利用介導(dǎo)藥物吸收的途徑，比如IFITM，來提高藥物攝取，甚至將藥物靶向到選定的細胞類型”。 增加IFITM表達的治療可能會與遭遇臨床挑戰(zhàn)的藥物聯(lián)合使用，以促進它們進入細胞，并使它們更接近它們的分子靶標(biāo)。這一重要途徑的發(fā)現(xiàn)擴大了我們在今后設(shè)計新的治療性藥物時可以探索的分子特征的前沿。（生物谷 Bioon.com） 參考資料： 1. Kevin Lou et al. IFITM proteins assist cellular uptake of diverse linked chemotypes. Science, 2022, doi:10.1126/science.abl5829. 2. R. Scott Lokey et al. Getting bifunctional molecules into cells. Science, 2022, doi:10.1126/science.adf4412. 3. Discovery of a cellular uptake pathway for larger drug molecules
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