每个细胞里都有一套“油门”（激酶）和“刹车”（磷酸酶）组合。
这个组合控制着细胞几乎所有的生命活动。如果这套系统失灵，可能会导致癌症、糖尿病、阿尔茨海默病、帕金森和亨廷顿病等多种疾病。不过，对于细胞这辆车，人类目前还没有完全驾驭。我们对“油门”的认知远远大于“刹车”。
科学家从1950年代开始研究蛋白激酶[1]，到2001年第一款蛋白激酶抑制剂格列卫被美国FDA批准以来，已有数十种分子蛋白激酶抑制剂药物上市，在治疗癌症等方面发挥了巨大的作用[2]。
但是，与蛋白激酶发挥同等重要作用，被研究更早的蛋白磷酸酶[3]，却没有获批的药物，还被扣上了“不可成药靶点”的帽子 [4]。
然而，皇天不负有心人，剑桥大学Anne Bertolotti研究团队在这一历史性难题上获得了突破性的进展，研究成果已发表在近期的顶级学术期刊《细胞》上[5]。
本文通讯作者Anne博士
他们开发了一个全新的磷酸酶抑制剂药物筛选平台。利用这个平台，他们成功筛选到了一个用于治疗亨廷顿病（舞蹈症）的小分子磷酸酶抑制剂[5]。
更重要的是，这项研究为我们打开了通向磷酸酶抑制剂类药物的大门，为这片黑暗的森林带来了一缕曙光。
那么磷酸酶到底有什么样的作用？它的功能异常又会造成怎样的影响？又为什么迟迟不能开发出相应的药物呢？带着问题，让我们进入细胞内来一场探索之旅吧！
细胞就像一台精密而又复杂的机器，其中蛋白质在其中扮演着核心的角色。蛋白激酶能将蛋白磷酸化，而磷酸酶能将蛋白去磷酸化，它们联手控制着蛋白的可逆磷酸化，就像一对刹车和油门的组合，调控细胞生理功能的稳定。通常情况下，激酶能激活信号转导，而磷酸酶则减弱信号的转导[6]。
蛋白激酶的功能改变经常导致疾病的发生，例如酪氨酸激酶的功能异常会激活很多肿瘤相关的信号通路，从而引发癌症[7]。
磷酸酶同样与糖尿病，阿尔兹海默病、癌症、肌萎缩侧索硬化（ALS，霍金先生所患的就是这种病）等多种疾病相关，是众多疾病的潜在治疗靶点[6,9,10]。虽然有超过200种磷酸酶发挥着各式各样的作用，靶向磷酸酶的药物走向临床的却很少，至今未有一款获批。这主要是由于磷酸酶本身的性质决定的。一般磷酸酶由多个结构蛋白组成，我们称之为亚基，包括催化亚基和调控亚基。
按照“油门”激酶的抑制剂设计思路，开发磷酸酶的抑制剂，药物应该靶向催化亚基，毕竟是这个部分在起作用。
但是靶向催化亚基在磷酸酶中却一直行不通。科学家后来才发现，原来大多数磷酸酶的催化亚基都是一样的，一旦磷酸酶的催化亚基被抑制，那可能就有上百个磷酸酶同时被抑制，所谓牵一发而动全身，对细胞来说是致命的[9]。
于是，科学家们又把目标瞄准了调控亚基，但是单独的调控亚基结构上是无序的，只有和其他亚基结合在一起才能展现有序结构[10]，要进行体外药物筛选，需要用全酶。由此，又碰到了另外一个问题，那就是这结构复杂的全酶在体外很难构建[11]。
但是，这难不倒科学家们。
2015年，剑桥大学的Anne Bertolotti团队想到了一个好主意。他们想啊，如果把调控亚基中最关键的一部分拿下来，与催化亚基结合，会不会有效呢？于是，他们从调控亚基上取下一个部分，与催化亚基组合在一起。意外的发现，这个简化的模型竟然起作用了。最终，他们找到了一个能够选择性抑制特定磷酸酶的小分子Sephin1，且Sephin1在小鼠模型中，对神经退行性疾病中展现了良好的治疗效果[12]。这一重要研究成果发表在顶级期刊《科学》上。
既然初步证明了这个思路是可行的，那么是不是可以在其他磷酸酶上复制这个成功呢。
于是，他们将这个重组全酶固定在一个表面等离子体共振（SPR）的芯片上，并集成了多种检测功能，构建一个全新的高通量药筛系统，如图所示。他们用Sephin1验证了这个系统的有效性，并首次揭示了该药物的分子机制。这个磷酸酶抑制剂筛查平台去年发表在2017的Nature structural & molecular biology上[13]。
SPR平台示意图
这个筛选系统的有效性，最近被Anne Bertolotti团队证实了。
他们用SPR系统找到了针对另外一种磷酸酶的小分子抑制剂。该小分子能特异性地靶向一个磷酸酶，使得细胞的蛋白合成反应暂时减慢，可以使细胞有更多的“精力”消除细胞内垃圾蛋白的积累，从而应对各种不良胁迫，对于治疗由蛋白错误折叠引起的疾病（如阿尔兹海默病、亨廷顿病等）有重要意义。同时，由于只是暂时性地降低蛋白合成，并不会对细胞造成毒性。
新药能明显清除脑内包含物
该小分子展示了优良的药物特性。在小鼠模型中，它能穿过血脑屏障，并在脑类维持一定的浓度，半衰期为4-6小时，且没有检测到生理毒性。更重要的是，通过给亨廷顿病小鼠模型喂药，发现小鼠体重提升，并降低亨廷顿病相关聚合物以及核内含物的聚集，展现了治疗亨廷顿病的潜力[5]。
如此看来，这个平台真的是成了。它的诞生摘掉了磷酸酶戴了几十年的“不可成药靶点”的帽子。
人体中存在超过200种蛋白磷酸酶，承担着细胞和生物体中调控功能的方方面面，却被认为不能作为药物靶点。在科学家们的不懈努力下，逐步攻克了这个难题。
本研究的平台具有良好的药物评价能力，且展现了对磷酸酶药筛的通用能力，相信这项技术能为我们找到更多暗藏的疾病靶标，为诸多绝症的治疗带来希望。
任你奸诈狡猾，也休想逃脱药物的制裁~要了解最新最前沿的医学进展吗？来本
Medical Trend吧~
参考文献
[1] Burnett, G. & Kennedy, E. P. J. Biol. Chem. 211, 969–980 (1954)
[2] Rask-Andersen, M., Zhang, J., Fabbro, D. & Schiöth, H.B. Advances in kinase targeting: current clinical use and clinical trials. Trends Pharmacol. Sci. 35, 604–620 (2014).
[3] Cohen, P., Alemany, S., Hemmings, B.A., Resink, T.J.,Stralfors, P. and Tung, H.Y.L. (1988) Methods Enzymol. 159,390-408
[4] Tsaytler, P. & Bertolotti, A. Exploiting the selectivity of protein phosphatase 1 for pharmacological intervention. FEBS J. 280, 766–770 (2013)
[5]https://www.cell.com/cell/fulltext/S00928674(18)30798-0
[6] Nguyen, L. K., Matallanas, D., Croucher, D. R., Von Kriegsheim, A., & Kholodenko, B. N. (2013). Signalling by protein phosphatases and drug development: a systems‐centred view. FEBS Journal, 280(2), 751-765.
[7] Hanahan, D. and Weinberg, R.A. (2011) Hallmarks of cancer: the next generation. Cell 144, 646–674
[8] Rask-Andersen, M., Zhang, J., Fabbro, D. & Schiöth, H.B. Advances in kinase targeting: current clinical use and clinical trials. Trends Pharmacol. Sci. 35, 604–620 (2014).
[9] De Munter, S.Köhn, M.Bollen, M. Challenges and opportunities in the development of protein phosphatase-directed therapeutics.ACS Chem. Biol. 2013; 8: 36-45
[10] Boens, S., Szekér, K., Van Eynde, A. & Bollen, M. Interactor-guided dephosphorylation by protein phosphatase-1. Methods Mol. Biol. 1053, 271–281 (2013).
[11] Crespillo-Casado, A., Chambers, J.E., Fischer, P.M., Marciniak, S.J. & Ron, D. PPP1R15A-mediated dephosphorylation of eIF2α is unaffected by Sephin1 or Guanabenz. eLife 6, e26109 (2017)
[12] Das, I. et al. Preventing proteostasis diseases by selective inhibition of a phosphatase regulatory subunit. Science 348, 239–242 (2015).
[13] Carrara, M., Sigurdardottir, A., and Bertolotti, A. (2017). Decoding the selectivity of eIF2a holophosphatases and PPP1R15A inhibitors. Nat. Struct. Mol. Biol. 24, 708–716
奇点：50万极客医生热爱的医疗科技媒体
本文作者 | 低温艺术家 & BioTalker
“没有不能打的靶”
閱讀更多 奇點網 的文章
