蛋白激酶是經過很多實驗和事實驗證的有效的抗癌藥物靶點，截至2017年，美國FDA總共批准了38個小分子蛋白激酶抑制劑，其中大部分用於癌症的治療。同時激酶作為其他疾病的靶點有效性的驗證工作也在進行中，包括神經失調，炎症及代謝類疾病。
人蛋白激酶由500多個激酶組成，負責磷酸化底物蛋白的胺基酸殘基(絲氨酸，蘇氨酸以及酪氨酸)中的羥基受體轉移的化學過程，調控細胞內的信號傳導過程，如細胞的生長、分化、凋亡。而異常的激酶活動會觸發不適當的信號傳導以及不可控的細胞生長，從而引發多種疾病，尤其是癌症。因此，小分子激酶抑制劑具有很大的新藥開發潛力。
蛋白激酶的活性區域
大多數激酶都是由至少兩個結構域組成，一個是催化結構域，負責綁定並磷酸化底物蛋白；一個是調控結構域，直接與輔助蛋白相互作用，這個輔助蛋白通過改變構象調整催化結構域的催化活性。催化區域的核心結構是由一個小的N端區域和一個大的C端區域通過一個鉸鏈區相連而構成。N端區域主要是由多個β-摺疊而成，而C端區域則主要由a-螺旋組成，ATP結合區就位於由N端和C端區域之間的(圖1)。
圖1 催化以及鉸鏈區殘基構型
蛋白激酶抑制劑的設計策略
在多種FDA批准的小分子蛋白激酶抑制劑的研發史中，基於結構的分子設計一直佔有很重要的位置。自從1991年第一個蛋白激酶A(PKA)的晶體結構被報導以來，已經有多於1000多個X射線晶體結構被報導，其中大多數晶體結構是高分辨的。圖2展示了幾種比較有代表性的FDA批准的上市藥物包含的鉸鏈結合雜環骨架，其中很多都被用於設計多種靶標激酶的高活性抑制劑，包括：VEGFR, Kit，B-Raf, EGFR, KDR等。小分子激酶抑制劑的先導化合物大多可通過高通量篩選、虛擬篩選或者基於碎片的篩選獲得。
圖2 FDA批准的激酶藥物中的代表性雜環及官能團結構與鉸鏈區的相互作用(虛線部分)
激酶抑制劑根據其結合位點可以分為三類：一類是作用於ATP結合位點，其為第一類激酶抑制劑；一類是作用於調節區，其為第二類激酶抑制劑；第三類激酶抑制劑又叫做別構抑制劑，靶向遠離ATP結合位點的疏水口袋，但是可以通過引起ATP結合口袋構象變化來調節激酶活性。
1．第一類激酶抑制劑設計
第一類抑制劑擁有一個雜環骨架可以佔據核苷結合區。同ATP分子中的核苷類似，這個雜環骨架也可以與鉸鏈區形成三個氫鍵的相互作用。抑制劑的優化可以通過基團來擴展分子與相鄰疏水口袋的相互作用。Dasatinib是第一類抑制劑，由噻唑先導化合物(8)設計而來。圖3展示了設計的藥效基團模型。
圖3 Dasatinib的設計及藥效基團模型
GSK通過一系列的篩選發現了先導化合物9，依靠蛋白激酶域模型而進行的起始結構修飾發現了活性化合物10，化合物10與VEGFR的晶體結構證明了該分子結合在ATP結合區。後續的優化使得抑制劑11被發現，最終上市(圖4)。
圖4 9，10，11的結構與活性
2．第二類激酶抑制劑設計
同第一類抑制劑相似，第二類激酶抑制劑與激酶中ATP結合位點結合，但是這類抑制劑可以將相互作用延伸到一個別構位點，這個別構位點只有在激酶處於非激活狀態下才能被利用。目前只有3個第二類抑制劑被批准上市：伊馬替尼，尼洛替尼和索拉菲尼，但是這些抑制劑卻是最成功的。
雅培研發中心從噻吩並嘧啶結構骨架化合物26出發(圖5)，通過移除嘧啶環中的CH得到五元環結構來模擬ATP分子中的腺嘌呤與鉸鏈區的結合模式，研究人員設計了化合物27，28，通過引入二芳基脲得到了一系列的高活性分子，如化合物30。這個分子在小鼠模型中同樣表現了良好的口服藥效。
圖5 基於3-氨基吲唑的結構設計及活性
3．別構抑制劑設計
別構激酶抑制劑通常也稱為第三類激酶抑制劑，它們與激酶抑制劑別構位點結合，這個區域不是ATP結合位點，通過誘導激酶構象變化來調節ATP分子與激酶結合從而使激酶處於非激活狀態。由於這類分子結合在激酶的特異性位點，因此這類抑制劑有最好的選擇性。
武田製藥曾經設計了一類基於結構的別構抑制劑。通過高通量篩選，他們發現了活性化合物38，39，為了打破與鉸鏈區的結合，通過對吡咯氮原子的烷基化得到化合物40，但是化合物40的細胞活性差，對聯苯基團的結構優化得到了更好細胞活性的化合物41(圖6)。
圖6 38-41的結構與活性
蛋白激酶是非常重要的藥物設計靶點，其基於結構的設計構想，包括FDA批准的藥物中的所用的一系列與鉸鏈區結合的雜環以及官能團的設計都是很好的學習材料。本文是筆者的學習筆記，其中謬誤之處還請大家指出，本文的主要內容來源於《Structure-based Design of Drugs and Other Bioactive Molecules: Toolsand Strategies》及其中譯本。