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片段:小、弱,却惊人地高效

基于片段的发现颠覆了直觉:它有意从微小、结合很弱的分子出发。本指南解释为什么这行得通、生物物理学如何检测如此微弱的结合,以及一个片段如何成长为先导化合物。

为什么从一个几乎不结合的东西开始

基于片段的药物发现筛选的分子远小于典型药物——往往不到250道尔顿,仅十几个重原子。一个片段苗头通常结合很弱,亲和力在高微摩尔到毫摩尔范围。以高通量筛选的标准看,这弱得可怜。其中的洞见在于:一个小分子能形成的接触很少,因此它所达成的任何结合,都必定源自在真正结合热点处的良好契合——没有靠侥幸取胜的余地。

正确的衡量标准不是绝对效力,而是配体效率——每个重原子贡献的结合能。一个亲和力虽弱但只有十个原子的片段,可能比一个臃肿的高通量苗头高效得多,而效率正是你能在其上构建的东西。从小处着手还能远更彻底地采样化学空间:几千个精选的片段对小片段空间的覆盖,胜过一百万个药物大小的化合物对其空间的覆盖。

看见看不见的:生物物理学检测

如此微弱的结合对普通活性检测是不可见的,因此片段筛选依靠能直接检测结合的生物物理学方法。表面等离子体共振观察当片段粘附到固定化蛋白质上时芯片上质量的累积。核磁共振观察片段对蛋白质信号的扰动。热位移检测读出一个片段如何稳定折叠状态的蛋白质。X射线晶体学是金标准:它不仅确证结合,还精确显示在结合口袋内部结合的位置与方式。

由于信号微弱,假阳性和假阴性都很多。标准的应对是正交确证:只有当两种独立方法一致时,才相信一个片段——比如表面等离子体共振加上一个晶体结构。这种与结构的配对,正是片段法与基于结构的设计成为天然伙伴的原因;你很少在没有另一个的情况下单独运行其中一个。

把片段培育成先导化合物

一旦你知道片段所处的位置,就有意把它做大。主要手段是片段生长——朝口袋中附近未被占据的空间延伸片段,以获取新的接触和亲和力。两个相关手段是:连接结合于相邻亚口袋的两个片段,以及把重叠片段的特征融合到一个分子中。

  1. 用两种正交方法确证片段,并获得其结合状态的结构。
  2. 绘制结合口袋中未被占据的空间,以及其周围的极性/疏水特征。
  3. 每次一小步,朝一个新接触——一个氢键或一片疏水表面——生长。
  4. 每一步之后重新测量亲和力和配体效率;只保留那些对得起新增原子的生长。