每個細胞裡都有一套“油門”（激酶）和“剎車”（磷酸酶）組合。
這個組合控制著細胞幾乎所有的生命活動。如果這套系統失靈，可能會導致癌症、糖尿病、阿爾茨海默病、帕金森和亨廷頓病等多種疾病。不過，對於細胞這輛車，人類目前還沒有完全駕馭。我們對“油門”的認知遠遠大於“剎車”。
科學家從1950年代開始研究蛋白激酶[1]，到2001年第一款蛋白激酶抑制劑格列衛被美國FDA批准以來，已有數十種分子蛋白激酶抑制劑藥物上市，在治療癌症等方面發揮了巨大的作用[2]。
但是，與蛋白激酶發揮同等重要作用，被研究更早的蛋白磷酸酶[3]，卻沒有獲批的藥物，還被扣上了“不可成藥靶點”的帽子 [4]。
然而，皇天不負有心人，劍橋大學Anne Bertolotti研究團隊在這一歷史性難題上獲得了突破性的進展，研究成果已發表在近期的頂級學術期刊《細胞》上[5]。
本文通訊作者Anne博士
他們開發了一個全新的磷酸酶抑制劑藥物篩選平臺。利用這個平臺，他們成功篩選到了一個用於治療亨廷頓病（舞蹈症）的小分子磷酸酶抑制劑[5]。
更重要的是，這項研究為我們打開了通向磷酸酶抑制劑類藥物的大門，為這片黑暗的森林帶來了一縷曙光。
那麼磷酸酶到底有什麼樣的作用？它的功能異常又會造成怎樣的影響？又為什麼遲遲不能開發出相應的藥物呢？帶著問題，讓我們進入細胞內來一場探索之旅吧！
細胞就像一臺精密而又複雜的機器，其中蛋白質在其中扮演著核心的角色。蛋白激酶能將蛋白磷酸化，而磷酸酶能將蛋白去磷酸化，它們聯手控制著蛋白的可逆磷酸化，就像一對剎車和油門的組合，調控細胞生理功能的穩定。通常情況下，激酶能激活信號轉導，而磷酸酶則減弱信號的轉導[6]。
蛋白激酶的功能改變經常導致疾病的發生，例如酪氨酸激酶的功能異常會激活很多腫瘤相關的信號通路，從而引發癌症[7]。
磷酸酶同樣與糖尿病，阿爾茲海默病、癌症、肌萎縮側索硬化（ALS，霍金先生所患的就是這種病）等多種疾病相關，是眾多疾病的潛在治療靶點[6,9,10]。雖然有超過200種磷酸酶發揮著各式各樣的作用，靶向磷酸酶的藥物走向臨床的卻很少，至今未有一款獲批。這主要是由於磷酸酶本身的性質決定的。一般磷酸酶由多個結構蛋白組成，我們稱之為亞基，包括催化亞基和調控亞基。
按照“油門”激酶的抑制劑設計思路，開發磷酸酶的抑制劑，藥物應該靶向催化亞基，畢竟是這個部分在起作用。
但是靶向催化亞基在磷酸酶中卻一直行不通。科學家後來才發現，原來大多數磷酸酶的催化亞基都是一樣的，一旦磷酸酶的催化亞基被抑制，那可能就有上百個磷酸酶同時被抑制，所謂牽一髮而動全身，對細胞來說是致命的[9]。
於是，科學家們又把目標瞄準了調控亞基，但是單獨的調控亞基結構上是無序的，只有和其他亞基結合在一起才能展現有序結構[10]，要進行體外藥物篩選，需要用全酶。由此，又碰到了另外一個問題，那就是這結構複雜的全酶在體外很難構建[11]。
但是，這難不倒科學家們。
2015年，劍橋大學的Anne Bertolotti團隊想到了一個好主意。他們想啊，如果把調控亞基中最關鍵的一部分拿下來，與催化亞基結合，會不會有效呢？於是，他們從調控亞基上取下一個部分，與催化亞基組合在一起。意外的發現，這個簡化的模型竟然起作用了。最終，他們找到了一個能夠選擇性抑制特定磷酸酶的小分子Sephin1，且Sephin1在小鼠模型中，對神經退行性疾病中展現了良好的治療效果[12]。這一重要研究成果發表在頂級期刊《科學》上。
既然初步證明了這個思路是可行的，那麼是不是可以在其他磷酸酶上覆制這個成功呢。
於是，他們將這個重組全酶固定在一個表面等離子體共振（SPR）的芯片上，並集成了多種檢測功能，構建一個全新的高通量藥篩系統，如圖所示。他們用Sephin1驗證了這個系統的有效性，並首次揭示了該藥物的分子機制。這個磷酸酶抑制劑篩查平臺去年發表在2017的Nature structural & molecular biology上[13]。
SPR平臺示意圖
這個篩選系統的有效性，最近被Anne Bertolotti團隊證實了。
他們用SPR系統找到了針對另外一種磷酸酶的小分子抑制劑。該小分子能特異性地靶向一個磷酸酶，使得細胞的蛋白合成反應暫時減慢，可以使細胞有更多的“精力”消除細胞內垃圾蛋白的積累，從而應對各種不良脅迫，對於治療由蛋白錯誤摺疊引起的疾病（如阿爾茲海默病、亨廷頓病等）有重要意義。同時，由於只是暫時性地降低蛋白合成，並不會對細胞造成毒性。
新藥能明顯清除腦內包含物
該小分子展示了優良的藥物特性。在小鼠模型中，它能穿過血腦屏障，並在腦類維持一定的濃度，半衰期為4-6小時，且沒有檢測到生理毒性。更重要的是，通過給亨廷頓病小鼠模型喂藥，發現小鼠體重提升，並降低亨廷頓病相關聚合物以及核內含物的聚集，展現了治療亨廷頓病的潛力[5]。
如此看來，這個平臺真的是成了。它的誕生摘掉了磷酸酶戴了幾十年的“不可成藥靶點”的帽子。
人體中存在超過200種蛋白磷酸酶，承擔著細胞和生物體中調控功能的方方面面，卻被認為不能作為藥物靶點。在科學家們的不懈努力下，逐步攻克了這個難題。
本研究的平臺具有良好的藥物評價能力，且展現了對磷酸酶藥篩的通用能力，相信這項技術能為我們找到更多暗藏的疾病靶標，為諸多絕症的治療帶來希望。
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參考文獻
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[5]https://www.cell.com/cell/fulltext/S00928674(18)30798-0
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[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)
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[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
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本文作者 | 低溫藝術家 & BioTalker
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