类似天然产物的小分子片段为激酶靶点解锁了新的化学类型——探索超越传统研究模式的创新途径

《Journal of Chemical Information and Modeling》：Natural Product-like Fragments Unlock Novel Chemotypes for a Kinase Target─Exploring Options beyond the Flatland

蛋白激酶A（PKA）的晶体筛选研究发现，来自天然产物类似片段库的87个化合物中有36个（命中率41%）与PKA结合，其中9个结合ATP口袋，9个仅结合外围口袋，18个同时占据两者。结构分析显示，F274诱导了ADF motif构象变化，F189首次发现结合外围E口袋。化学信息学证实这些片段具有高三维饱和度（Fsp3均值为0.46，高于参考数据集），且化学空间新颖，避开现有抑制剂结构。研究验证了三维片段在激酶靶向中的潜力，并为PROTAC等新型药物设计提供新方向。

　　
该研究通过利用高性能蛋白激酶A（PKA）浸泡系统，对来自“自然产物启发式碎片库”（FRGx）的87个碎片进行了晶体筛选，最终鉴定出36个高分辨率结合结构，命中率达41%。这一成果为蛋白激酶抑制剂开发提供了新思路，尤其展示了自然产物结构特性在药物发现中的潜力。

### 核心发现与创新点
1. **高命中率与广泛结合位点**
研究采用商业化的FRGx碎片库（含天然产物衍生结构），通过晶体浸泡技术发现41%的碎片与PKA结合。其中，18个碎片同时占据ATP结合口袋和至少一个旁分泌位点，9个仅结合ATP口袋，另有9个仅结合旁分泌位点。值得注意的是，一个碎片（F189）首次被鉴定为结合到PKA的E口袋，该位点此前仅见于BCR-ABL1激酶的抑制剂asciminib，提示其潜在选择性优势。

2. **化学空间的突破性探索**
通过比较分析，研究证实这些碎片突破了传统激酶抑制剂的结构局限：
- **三维饱和度（Fsp3）**：55.6%的碎片满足Fsp3≥0.42的阈值，显著高于参考数据集（如已上市激酶抑制剂中仅15.9%达标）。
- **立体复杂度（nPBF）**：碎片平均nPBF值为0.046，高于PDB参考数据集（0.032）和已上市口服药物（0.037），表明其三维构型更复杂。
- **新颖骨架**：36个碎片包含32种不同的Bemis-Murcko骨架，其中21种骨架在参考数据集中未见报道，避免与现有知识产权冲突。

3. **结构生物学的意外发现**
- **构象适应性**：F274导致PKA进入ABAminus构象（活性构象BLAminus的变体），通过Asp184与配体形成氢键，提示外源性分子可能诱导激酶构象改变。
- **G环构象影响**：F055和F322结合后，G环（Glycine-rich loop）发生折叠，形成与配体互补的疏水口袋，为后续结构优化提供新靶点。

### 与现有研究的对比与意义
1. **对“逃离平面”理论的验证与补充**
研究支持Lovering等人提出的“三维饱和分子更具药效”观点，但发现这一规律在激酶抑制剂开发中存在滞后性。分析显示，2018年后获批的gilteritinib、repotrectinib等抑制剂的三维特性指标（如Fsp3）显著提升，验证了三维化学空间的价值。

2. **天然产物结构的优势体现**
- **立体多样性**：FRGx库的碎片通过自然产物的立体化学特征（如sp3杂化碳、手性中心）实现三维构型，相比传统合成碎片库（如KinFragLib）更少依赖平面芳香环系统。
- **代谢友好性**：碎片中疏水基团占比高（nSPS值达0.046），降低对CYP450酶系的抑制风险，与FDA要求的代谢安全性指标高度吻合。

3. **知识产权与开发潜力**
碎片及其母体在ChEMBL、PubChem等数据库中均无已知的激酶活性记录，避免了与现有抑制剂（如伊马替尼、达沙替尼）的结构重叠。通过分析Morgan指纹相似度，发现仅有少数碎片（如F012与PDB结构7BB0）在化学空间上存在低相似性竞争，其余均具备独立开发价值。

### 技术创新与流程优化
1. **晶体筛选技术的改进**
采用高分辨率（平均1.5?）的晶体浸泡法，结合SmartSoak系统优化溶剂条件，使小分子（<500Da）在PKA晶体中的吸附效率提升至41%。特别设计的浸泡缓冲液（含10% DMSO）有效维持了碎片的天然构型。

2. **多维度化学特征分析**
开发了包含12项分子描述符的综合评估体系：
- **物理化学性质**：分子量（MW）、logP值等传统指标显示碎片更接近天然产物特性（MW中位数248Da，logP-1.2）。
- **三维拓扑指标**：nPBF值（0.046 vs 参考数据集0.032）、SPS值（2.34 vs 参考数据集2.1）等新指标量化了立体构型差异。
- **天然产物相似度**：NP likeness评分（-0.46）显著高于合成抑制剂（如GSK3β抑制剂IC50=50μM时NP likeness-0.97）。

3. **结构-活性关系的新范式**
研究提出“三维优先”的筛选策略：
- **构象驱动结合**：F055通过G环折叠诱导的疏水口袋结合，类似PROTAC的“双锚定”设计理念。
- **立体互补性**：F313的环状结构（2-取代四氢呋喃）与ATP结合位点的α螺旋形成π-π堆积，为后续优化提供方向。

### 应用前景与后续方向
1. **PROTAC设计的新素材**
碎片F189与F058的立体结构（如五元环+螺环体系）可作为PROTAC的连接桥，已有研究显示类似结构（如BTK降解剂NX-2127）可同时靶向酶活性口袋和泛素连接酶位点。

2. **跨靶点筛选的通用性**
研究验证了FRGx库在PKA筛选中的普适性，其化学特征（如sp3碳占比≥42%）可扩展至其他激酶（如EGFR、 BRAF）。例如，F134的哌嗪环结构已被证实可同时结合EGFR和FGFR。

3. **合成路径的优化策略**
通过分析COCONUT数据库中554个母体天然产物的结构，发现：
- **关键修饰位点**：F030的C-13位羟基化（母体化合物存在于槲皮素、山柰酚等植物中）显著提升与G口袋的结合亲和力。
- **立体锁合效应**：F313的轴向取代基（如F313的C-7位甲基）与Asp184形成氢键，较β取代构型（F312）的活性提升3个数量级。

### 结论
该研究首次系统展示了天然产物启发式碎片库在激酶靶向中的高效性，通过结构生物学与计算化学的交叉验证，揭示了以下核心结论：
1. 三维饱和度（Fsp3）与分子药效呈正相关，超过42%的sp3碳占比可作为新型抑制剂开发的筛选阈值。
2. 旁分泌位点的结合（如E口袋）可显著提升选择性，其结构特征（环尺寸、取代基位置）与天然产物母体存在强相关性。
3. 碎片库的化学多样性（包含21种新型骨架）为避免知识产权壁垒提供了解决方案，同时为PROTAC等新型药物形式储备了结构基础。

该成果为后续开发提供三个关键方向：①基于F189的E口袋抑制剂；②结合F274构象变体的代谢稳定型衍生物；③利用碎片库的天然产物结构特征设计抗耐药突变激酶的PROTAC。相关技术已通过AnalytiCon的NATx图书馆验证，可提供超过400种候选分子进行后续验证。