花100天模擬蛋白質1毫秒的3D運動過程，傳統藥物研發理論將被改寫
著名生物技術風投機構Third Rock在9月14日對外宣布，斥資5700萬美元啟動革命性製藥公司Relay Therapeutics，著名研究機構D. E. Shaw Research跟投。此消息一出，在業界引起極大震動。
「我們要將蛋白運動領域的研究進展，整合到藥物研發的核心過程中，促使藥物研發的理論和技術來一次徹底的迭代。」Relay的執行主席兼臨時CEO Alexis Borisy，在Relay呱呱墜地的時候，將Relay的使命公之於眾。
Alexis Borisy
新公司組建之初，負責人難免會說一些豪言壯語，以壯聲威。然而熟悉蛋白質小分子藥物研發的人一定明白，Borisy的話並非危言聳聽，這個領域的理論和技術的確需要「一次徹底的迭代」。
作為生命的承載者和體現者，蛋白質異常與疾病的發生緊密相關。一般來講，現在的藥物靶標基本都是蛋白質，通過與蛋白質的活性中心這個「靶心」結合，抑制蛋白質的活性或者功能。那麼這個靶心在哪裡，長什麼樣？雖然科學家把蛋白質叫做「生物大分子」，裡面有個「大」字，但是它仍然是分子層面的大，用列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek，1632－1723荷蘭顯微鏡學家）發明的顯微鏡肯定是看不到的。要「看到」蛋白質，還得等到20世紀初。
1895年，倫琴發現了X射線，倫琴也因此成為諾貝爾獎史上第一位物理學獎金獲得者（1901年）。20年之後，威廉·亨利·布拉格和威廉·勞倫斯·布拉格父子二人，因將X射線用於晶體結構研究榮獲諾貝爾物理學獎。至此，科學家終於有了可以「看到」蛋白質立體結構的技術。
蛋白「快照」時代的藥物研發
對於製藥產業而言，這種成像技術是極其重要的。成像技術的解析度越高，越容易開發出可以跟靶心完美結合的藥物。早在1989年，由Manuel Navia和Alexander Wlodawer帶領的團隊(1)，解析了HIV病毒複製蛋白酶的結構，極大的促進了基於蛋白結構研發藥物的進程。將藥物研發從大規模的盲目篩選階段，領進了依靠蛋白結構篩選藥物的「理性」研發時代。到1994年，FDA批准了默克率先研發的全球首個基於蛋白結構設計的藥物多佐胺（dorzolamide）。隨後，更多更有效的小分子藥物相繼誕生。
HIV病毒複製蛋白酶的結構
然而，這種藥物研發理論也並非完美無缺。雖然蛋白質的活性中心是各種反應和信號傳遞的關鍵部分，只要堵住這個活性中心，基本上就可以有效阻斷靶標蛋白的生物活性；但是作為長期進化的產物，想要結合這個活性中心似乎也沒那麼容易。其中最著名的例子要數在眾多細胞信號通路中起到關鍵作用的磷酸激酶SHP2，SHP2是一些重要癌基因（EGFR、FGFR2、HER2和ALK等）的幫凶，在白血病、肺癌、乳腺癌和神經母細胞瘤等多種癌症中發揮重要作用，一旦被大量激活，它就會瘋狂地促進腫瘤生長。
過去20餘年間，研究者一直努力以SHP2的活性位點暴露時的「照片」為基礎，投入了大量的人力物力，但一直沒能研發出有效的活性位點結合抑制劑。其中最主要的問題在於，SHP2的活性位點帶正電，為了與其結合，研究人員就開發了大量的帶負電的化合物。但是帶電的化合物是很難穿過細胞膜的，因此研究人員研發的抑制劑效果一直不好，甚至都死在了臨床前階段。
SHP2由三個相連的部分組成：左圖是活性中心處於「關閉」狀態，右圖是「打開」狀態，一直以來，以活性中心為核心的研發，關注的都是右邊的那個構象。這種關注活性中心的藥物研究比較直接。
諾華的癌症研究專家Nicholas Keen說，「每當我想起整個製藥產業已經在磷酸激酶抑制劑的研發上白白耗費了數百萬工時，心底就會燃起無名怒火。」
實際上活性中心只佔了蛋白質很小一部分，但是在「把活性中心作為藥物靶點」的研發理論的指導下，研發人員更關注的也是蛋白質活性中心暴露時的「照片」。蛋白「靜態照相」技術上的缺陷，也誤導了大眾對蛋白質的認識。
「從小到大我們一直以為摺疊好的蛋白質就像一塊岩石一樣，是靜止不動的。實際上並不是那樣。」康奈爾大學醫學院結構生物學家David Eliezer在接受《自然》雜誌採訪時表示。現在我們知道，蛋白質在執行任務時，無時無刻不在變化，「大部分蛋白質的運動都是發生在微秒（百萬分之一秒）這個時間維度上。」Relay的首席科學官Mark Murcko表示，「我們想了解蛋白質運動的本質。」
很多蛋白質的活性中心並非一直暴露在外面，而是被蛋白其他的部分包裹或者掩蓋，等到需要發揮作用的時候，才會暴露出來。這就像蛇的毒牙，只有在攻擊獵物的那一瞬間，才會露出來，其他時候我們是看不到的。如果不想讓蛇咬人，我們可以考慮拔掉它的毒藥，也就是直接搗毀「活性中心」。還有一個辦法是不讓它張嘴，雖然武器仍在，但是對人類已經構不成威脅了。
超級計算機等工具與技術的出現促使藥物研發邁入「3D電影」時代
所以蛋白藥物的研發是不是也可以用這一招？直接不讓活性中心暴露不就結了。這種不以蛋白質活性中心為結合位點的抑制劑就叫做「變構抑制劑」。雖然「變構抑制」這個理念早在1961年就由Jacques Monod和Francois Jacob創造出來了(2)，並在1963年被Hilary Muirhead和Max Perutz從原理上證實可行(3)。但是限於當時的技術條件，根據幾張「靜態照片」，研究人員並不知道蛋白質是如何運動的，因此要找到關鍵的點，並設計出高效的變構抑制劑是不可能的。
在現實世界中，蛋白質的運動可能是這樣的。Morphic Therapeutic製作的整合素α4β1的「關閉」和「打開」狀態示意圖，整個流程像稍息，立正，鞠躬，一氣呵成。
如果我們能知道蛋白質運動的過程，我們就可以找到一個合適的點，然後「卡住」它（真是機關算盡），讓活性中心不能暴露。這就是初創公司Relay要做的事情，將製藥產業帶入「3D電影時代」，來一次「徹底的迭代」。
近年來，隨著成像技術和計算技術的不斷進步，Murcko和Borisy認為，是時候將「蛋白運動」納入到藥物研發的考慮範圍之內了。與之前的X射線晶體學技術的低溫工作條件不同，現在的X射線晶體學技術可以在室溫下工作，這就使得捕捉蛋白質的運動過程成為可能；新的NMR技術可以揭示分子的物理和化學結構，小分子與蛋白質的結合狀態，以及蛋白質構象的變化。然後再把這些成像數據導入超級計算機，在計算機內模擬蛋白質的運動，以及小分子藥物與蛋白質的結合過程。這就是所謂的「從照相時代進入3D電影時代」。其中超級計算機的計算能力是所有這一切的關鍵，而這一點，恰恰是Relay強勢的地方。
作為Relay的聯合創始人和投資者，David E. Shaw為Relay提供了超級計算能力。Shaw是美國著名計算化學研究機構D. E. Shaw Research（DESRES）的創始人兼首席科學家，他也是美國的頂級富豪。2010年，Shaw帶領他的團隊開發了一個超級計算機Anton（名字來源於列文虎克）(4)，Anton可以在100天內模擬蛋白質在1毫秒內結構的動態變化，之前的計算機在同樣的時間內，只能模擬蛋白質在10微妙內的結構動態變化。Anton的計算能力提升了數百倍。
David E. Shaw
Borisy認為，在毫秒級的時間段內，完全可以獲取完整的蛋白質運動全過程。有了Anton這台「高速攝影機」，Relay可以全面的了解蛋白質結構變化的每一個瞬間，使他們更容易找到除活性中心之外的有效靶點。
當然，也有很多人認為，Relay不可能完全顛覆傳統蛋白藥物研發理論。因為在Relay之前，有失敗的案例；但是那是30年前的事情了。時至今日，尤其是2016年，我們能看到的更多的是成功。
製藥巨頭開始涉足
前面介紹的那個困擾製藥界數十年的SHP2蛋白，前不久被諾華解決了。「我們在與SHP2的活性中心苦戰了2年之後，我們決定退一步，重新審視這個蛋白。」SHP2抑制劑研發團隊的領導者Travis Stams說，「我們有一種預感，應該有另一種方式可以關閉掉這個蛋白。」
6月29日，Stams團隊的研究成果刊登在《自然》雜誌上(5； 6)，他們找到了SHP2的變構抑制劑SHP099。這個SHP099可以「卡在」SHP2的一個特殊部位，使SHP2的活性中心不能暴露。當他們給移植腫瘤的模式小鼠口服SHP099之後，腫瘤神奇的消失了。諾華團隊的工作再次證明，可以通過阻斷蛋白質的運動，抑制蛋白質的活性。當然，諾華使用的是大規模的篩選實驗獲得SHP099，盲目性還是比較大。
SHP099插入SHP2三個組成部分之間，將SHP2「鎖住」
同樣，在今年4月份，Gilead Sciences宣布以12億美元的價格收購了Nimbus Therapeutics的乙醯輔酶A羧化酶（ACC）抑制劑項目。當時，Nimbus在使用Schrodinger提供的計算平台研發蛋白抑制劑。沒成想僅僅過了5個月，Nimbus的團隊就傳來好消息，他們找到了ACC的變構抑制劑ND-646。從非小細胞肺癌模式小鼠臨床實驗來看，ND-646能夠使腫瘤體積縮小接近三分之二，而標準藥物carboplatin在同樣條件下只能使腫瘤體積縮小50%，如果將ND-646和carboplatin聯合使用，腫瘤體積縮小達到87%。這一重要研究成果於9月20日刊登在《自然醫學》上(7)。
除了諾華和Nimbus之外，去年成立的Morphic Therapeutic也開始關注這個領域。今年6月30日，成立不到一年的Morphic獲得了高達5150萬美元的A輪融資，參與投資的有Pfizer、GSK和AbbVie等。為了提升研發速度和成功的概率，Morphic也與計算化學領域的大牛公司Schrodinger展開了合作。不過與Relay關注所有蛋白不同，Morphic只關注整合素。
儘管製藥巨頭已經開始涉足這個領域，但是Relay目標和資源更集中。按照Relay的說法，它是目前全球第一個專註於將蛋白運動應用到藥物研發的公司。目前Relay只有25名員工，他們來自結構生物學、生物物理學、計算化學和生物學領域。可以說Relay正在做的事情不僅會變革藥物的研發理論，還會大幅增加藥物的靶點，為大量未被滿足的疾病提供更多的治療機會。
相關資料：
【1】Wlodawer A， Miller M， Jaskolski M， Sathyanarayana B， Baldwin E， et al. 1989. Conserved folding in retroviral proteases： crystal structure of a synthetic HIV-1 protease. Science 245：616-21
【2】Changeux J-P. 1961. The Feedback Control Mechanism of Biosynthetic L-Threonine Deaminase by L-Isoleucine. Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology 26：313-8
【3】Muirhead H， Perutz MF. 1963. Structure Of Haeemoglobin： A Three-Dimensional Fourier Synthesis of Reduced Human Haemoglobin at 5.5 [angst] Resolution. Nature 199：633-8
【4】Shaw DE， Maragakis P， Lindorff-Larsen K， Piana S， Dror RO， et al. 2010. Atomic-Level Characterization of the Structural Dynamics of Proteins. Science 330：341-6
【5】Chen Y-NP， LaMarche MJ， Chan HM， Fekkes P， Garcia-Fortanet J， et al. 2016. Allosteric inhibition of SHP2 phosphatase inhibits cancers driven by receptor tyrosine kinases. Nature 535：148-52
【6】Garcia Fortanet J， Chen CH-T， Chen Y-NP， Chen Z， Deng Z， et al. 2016. Allosteric Inhibition of SHP2： Identification of a Potent， Selective， and Orally Efficacious Phosphatase Inhibitor. Journal of Medicinal Chemistry 59：7773-82
【7】Svensson RU， Parker SJ， Eichner LJ， Kolar MJ， Wallace M， et al. 2016. Inhibition of acetyl-CoA carboxylase suppresses fatty acid synthesis and tumor growth of non-small-cell lung cancer in preclinical models. Nat Med advance online publication
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