袁 仲，陳 卓，李乾斌，胡高云

(中南大學(xué)湘雅藥學(xué)院，長沙 410013)

蛋白酪氨酸磷酸酶1B(PTP1B)廣泛存在于體內(nèi)各組織中，它通過催化磷酸酪氨酸(pTyr)的去磷酸化反應(yīng)，與蛋白酪氨酸激酶(PTKs)共同維持蛋白酪氨酸的磷酸化水平。PTP1B在T2DM和肥胖癥中扮演重要角色[1]，它不僅是胰島素和瘦素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的關(guān)鍵生理調(diào)節(jié)因子[2]，而且其與ER應(yīng)激[3-4]以及胰島β細(xì)胞[5]之間也有重要關(guān)聯(lián)。因此，近年來PTP1B抑制劑已成為治療T2DM和肥胖癥的研究熱點(diǎn)。本文將對PTP1B及其抑制劑的最新研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 PTP1B的結(jié)構(gòu)及重要位點(diǎn)

PTP1B的晶體結(jié)構(gòu)已由Barford研究組[6]報(bào)道(圖1)，其抑制劑主要靶向3個(gè)重要位點(diǎn)，即N端的兩個(gè)芳基磷酸酯結(jié)合位點(diǎn)——親和力高的催化位點(diǎn)(A位點(diǎn))和親和力低的非催化位點(diǎn)(B位點(diǎn))，以及距催化口袋約20 ?的C端的變構(gòu)位點(diǎn)。PTP1B的A位點(diǎn)是由8個(gè)氨基酸殘基His214-Arg221形成的剛性環(huán)狀結(jié)構(gòu)，該位點(diǎn)中的Cys215在催化過程中至關(guān)重要(圖2)。WPD環(huán)的封閉構(gòu)象、Asp181、Arg221以及Lys120對PTP1B的催化過程也有重要影響[7-9]。值得注意的是，PTP1B的催化中心高度保守(TCPTP的催化中心與PTP1B的幾乎完全相同)，且其活性位點(diǎn)口袋帶正電，因此，競爭性PTP1B抑制劑的選擇性和細(xì)胞膜通透性問題亟待解決。由Arg24、Arg254、Met258和Gln262等組成的親脂性非保守位點(diǎn)B對底物特異性識別具有重要的調(diào)節(jié)作用，其中Arg24和Arg254胍基與pTyr底物間的相互作用最為關(guān)鍵。變構(gòu)位點(diǎn)由α3、α6和α7等一些獨(dú)一無二的α螺旋組成。WPD環(huán)的封閉構(gòu)象與α7-α3-α6之間的相互作用有關(guān)，變構(gòu)抑制劑通過阻斷它們之間的相互作用，抑制WPD環(huán)的封閉，進(jìn)而使PTP1B失活[10-11]。

圖1 蛋白酪氨酸磷酸酶1B(PTP1B)晶體結(jié)構(gòu)(PDB ID:1PTV)

圖2 PTP1B的催化過程

2 PTP1B與T2DM和肥胖癥的關(guān)系

糖尿病已成為繼心血管疾病及腫瘤之后的第三大威脅人類生命健康的代謝性疾病，其中以T2DM最為常見。肥胖癥亦屬于代謝性疾病，它是胰島素抵抗、T2DM以及心血管疾病的高危因素[12]。PTP1B作為T2DM和肥胖癥治療的潛在靶點(diǎn)[1,13-14]，不僅能負(fù)調(diào)控胰島素和瘦素信號通路，而且也與ER應(yīng)激和胰島β細(xì)胞密切相關(guān)。

2.1 PTP1B負(fù)調(diào)控胰島素和瘦素信號通路

PTP1B是胰島素和瘦素信號通路中的重要負(fù)調(diào)控因子[15](圖3)。與胰島素結(jié)合后，胰島素受體(IR)細(xì)胞質(zhì)部分的受體酪氨酸激酶(RTK)域會被激活，隨后受體的多個(gè)Tyr殘基及下游胰島素受體底物1(IRS1)磷酸化，進(jìn)而激活PI3K-Akt通路，導(dǎo)致4型葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(GLUT4)轉(zhuǎn)移至細(xì)胞表面，促進(jìn)葡萄糖的攝取。Akt也可通過抑制GSK3活性刺激糖原合成[16]。PTP1B促使磷酸化的IR和IRS1脫去磷酸，進(jìn)而終止IR信號，抑制細(xì)胞對葡萄糖的攝取，產(chǎn)生胰島素抵抗。瘦素與瘦素受體(ObR)結(jié)合后使JAK2及下游STAT3磷酸化，磷酸化的STAT3轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核，對控制脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)、食物攝取以及能量消耗的相關(guān)靶基因轉(zhuǎn)錄進(jìn)行調(diào)控[17]。PTP1B使瘦素活化的JAK2去磷酸化失活，從而抑制瘦素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。有趣的是，瘦素可通過PI3K-AKT信號通路誘導(dǎo)αAMPK絲氨酸485/491磷酸化并減少食物攝入[18]，這表明PI3K可能在胰島素和瘦素信號通路之間有交叉作用，同時(shí)也暗示抑制PTP1B是改善肥胖癥中胰島素和瘦素抵抗的有效策略。

2.2 PTP1B與ER應(yīng)激

ER應(yīng)激可導(dǎo)致肥胖相關(guān)胰島素抵抗，是肥胖、胰島素抵抗和T2DM之間的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)[19-20]。PTP1B位于ER膜上，與ER應(yīng)激密切相關(guān)。最近有報(bào)道顯示，在培養(yǎng)的肌管中，ER應(yīng)激上調(diào)PTP1B的表達(dá)，并使葡萄糖攝取減少，另一方面，PTP1B基因沉默導(dǎo)致ER應(yīng)激通路受損，使葡萄糖恢復(fù)至正常水平[3]；在肥胖情況下，骨骼肌中的ER應(yīng)激可通過激活ROS-NF-κB信號通路誘導(dǎo)PTP1B的表達(dá)，導(dǎo)致胰島素抵抗[4]。此外，肝特異性敲除PTP1B基因能改善高脂飲食誘導(dǎo)的ER應(yīng)激[21]。鑒于PTP1B在肥胖癥中對ER應(yīng)激相關(guān)的胰島素抵抗的介導(dǎo)作用，有望成為治療肥胖癥和T2DM的有效靶點(diǎn)。

圖3 PTP1B在胰島素和瘦素信號通路中的負(fù)調(diào)控作用

2.3 PTP1B在胰島β細(xì)胞中的作用

胰島β細(xì)胞是一種能分泌胰島素的內(nèi)分泌細(xì)胞。PTP1B基因敲除小鼠的胰島形態(tài)分析結(jié)果顯示，相比于野生對照組，PTP1B基因敲除小鼠的胰島β細(xì)胞量增加；同時(shí)，葡萄糖刺激的胰島素分泌增強(qiáng)[5]。Liu等[22]通過實(shí)驗(yàn)確定了胰島β細(xì)胞中的EphA5是PTP1B底物。以上數(shù)據(jù)表明，PTP1B可能與胰島β細(xì)胞的增殖、凋亡以及胰島素的分泌有著密切聯(lián)系，因而抑制PTP1B可能會改善T2DM患者中胰島β細(xì)胞分泌功能。

3 PTP1B抑制劑研究進(jìn)展

迄今為止，只有3個(gè)PTP1B小分子抑制劑ertiprotafib (1)、MSI-1436(2)和JTT-551(3)進(jìn)入臨床試驗(yàn)(圖4)，但它們最終因療效不佳或不良反應(yīng)而終止研發(fā)[15]。選擇性不佳和細(xì)胞膜通透性差是阻礙PTP1B小分子抑制劑開發(fā)進(jìn)程的主要原因。因此，抑制劑需要選擇性作用于PTP1B以減少不良反應(yīng)；此外，大多數(shù)競爭性PTP1B抑制劑含有帶負(fù)電荷的極性基團(tuán)，難以透過細(xì)胞膜，可在綜合考慮相對分子質(zhì)量大小的同時(shí)增強(qiáng)疏水性以改善其藥代動力學(xué)性質(zhì)。盡管面臨以上難題，但由于PTP1B在T2DM和肥胖癥中具有多方面重要作用，一些經(jīng)典結(jié)構(gòu)類型的PTP1B抑制劑如二氟亞甲基磷酸類(DFMP)、草酰氨基苯甲酸類(OBA)、苯氧乙酸類等在過去10年仍得到了廣泛研究。本文根據(jù)作用位點(diǎn)，將近幾年(2013—2016)發(fā)現(xiàn)的新型PTP1B抑制劑進(jìn)行分類，并對其進(jìn)行歸納總結(jié)。

3.1 靶向A位點(diǎn)的小分子PTP1B抑制劑

大部分靶向A位點(diǎn)的PTP1B抑制劑為帶有電負(fù)性基團(tuán)的pTyr模擬物，旨在競爭性地結(jié)合于A催化位點(diǎn)。本文中，靶向A位點(diǎn)的PTP1B抑制劑結(jié)構(gòu)主要分為兩種，即羧酸類化合物和芳基磺酰胺類化合物，如圖5所示。

圖4 進(jìn)入臨床試驗(yàn)的小分子PTP1B抑制劑

圖5 靶向A位點(diǎn)的PTP1B抑制劑結(jié)構(gòu)和PTP1B抑制活性

近幾年羧酸化合物作為pTyr模擬物被頻繁應(yīng)用到PTP1B抑制劑中。Zhi等[23]已報(bào)道芳基二酮酸是一類靶向酶失活構(gòu)象并具有較好選擇性和活性的新型非競爭性PTP1B抑制劑，然而一些二酮酸不穩(wěn)定，因此最近該研究組以芳基二酮酸化合物4(IC50=20 μmol/L)為起點(diǎn)，采用生物電子等排策略首次引入新型pTyr替代物4-喹諾酮-3-羧酸骨架。此外，基于前期研究基礎(chǔ)在喹諾酮C-6、N-1或C-3位引入一些疏水性基團(tuán)和芳基二酮酸結(jié)構(gòu)可增強(qiáng)化合物的活性并改善其藥物代謝動力學(xué)性質(zhì)?；钚宰詈玫母偁幮訮TP1B抑制劑5[23]既有合適的細(xì)胞滲透性，又能顯著增強(qiáng)CHO/hIR細(xì)胞中的胰島素信號，同時(shí)藥理學(xué)性質(zhì)也得以改善，該化合物的結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)方法對PTP1B抑制劑的開發(fā)具有一定參考價(jià)值。Tang等[24]最近報(bào)道了一個(gè)3-苯丙酸類化合物6，其鈉鹽在高脂飲食誘導(dǎo)的胰島素抵抗小鼠模型中既能顯著增強(qiáng)胰島素敏感性，又能降低血清中三酰甘油和總膽固醇的水平。另外，由Zhang課題組[25]報(bào)道的苯甲酸類競爭性PTP1B抑制劑7可與催化位點(diǎn)殘基Cys215-Gly218及Gly220-Arg221形成氫鍵作用，改善飲食誘導(dǎo)肥胖(DIO)小鼠的胰島素抵抗，增強(qiáng)胰島素誘導(dǎo)的IRβ/IRS1磷酸化。

Balaramnavar等[26]基于藥效團(tuán)模型、分子對接以及骨架跳躍方法發(fā)現(xiàn)了萘基取代的磺酰胺化合物8，并對其進(jìn)行了多種生物實(shí)驗(yàn)。該化合物顯著改善多種小鼠模型的空腹和隨機(jī)血糖水平，改善胰島素抵抗，它還可通過調(diào)控與胰島素信號相關(guān)的基因的表達(dá)，如IRS1-2、PI3K、Akt2等，從而增強(qiáng)胰島素的作用。此外，以30 mg/kg的劑量對大鼠進(jìn)行灌胃給藥后發(fā)現(xiàn)，該化合物具有較好的口服生物利用度(約10.29%)。綜上表明，化合物8具有理想的理化性質(zhì)和生物利用度，為新型PTP1B抑制劑的研發(fā)提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

3.2 靶向B位點(diǎn)的小分子PTP1B抑制劑

因PTP1B A位點(diǎn)氨基酸序列高度保守，故大多數(shù)靶向該位點(diǎn)的抑制劑存在較差的選擇性，同時(shí)作用于A、B雙位點(diǎn)的靶向策略能明顯的改善這一狀況。

芳基磺酰胺類化合物是研究較為廣泛的一類雙結(jié)合位點(diǎn)PTP1B抑制劑。其中，由Li課題組報(bào)道的一類芳基甲磺酰胺類化合物9[27]、10[28]、11[29](如圖6)對TCPTP均具有較好的選擇性，而且化合物9的選擇性更是高達(dá)120倍以上；另外，該3個(gè)化合物均顯示有細(xì)胞活性，且能明顯增強(qiáng)胰島素介導(dǎo)的IRβ磷酸化和胰島素刺激的葡萄糖攝取?；衔?1表現(xiàn)出優(yōu)異的活性，原因可能與其能完全占據(jù)A、B位點(diǎn)并可延伸至一個(gè)大的平面位點(diǎn)等結(jié)合特點(diǎn)有關(guān)。這些新化合物可為有效的選擇性PTP1B抑制劑的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供新的見解。

圖6 化合物9～11的化學(xué)結(jié)構(gòu)及PTP1B、TCPTP抑制活性

1,3-噻唑烷-4-酮類雙位點(diǎn)PTP1B抑制劑12[30]表現(xiàn)出明顯的PTP1B抑制活性和選擇性(如圖7)，該化合物通過顯著增強(qiáng)IRβ磷酸化和促進(jìn)2-脫氧葡萄糖攝入進(jìn)而調(diào)控小鼠C2C12骨骼肌細(xì)胞中的胰島素信號通路。分子對接顯示：化合物12與催化中心中關(guān)鍵殘基發(fā)生靜電及氫鍵作用；與羧基相連的芳基與Phe182、Tyr46和Ala217發(fā)生π-π堆疊和疏水作用；Lys120與C-2位苯亞氨基中N原子形成氫鍵，而與芳環(huán)發(fā)生π-陰離子作用；5-亞芳基部分的末端苯環(huán)位于非催化口袋內(nèi)，且與Arg24的胍基形成π-陰離子作用。除此之外，5-亞芳基顯著影響PTP1B抑制活性，在此處延伸連接兩個(gè)芳環(huán)的鏈長能得到更為有效的PTP1B抑制劑，而在該位置引入2-苯乙氧基后既影響抑制活性又能改變抑制機(jī)制。最近Meng等[31]合成了含1,3-噻唑烷-4-酮骨架的PTP1B抑制劑13，結(jié)構(gòu)中吡咯環(huán)3位取代的羧酸酯被設(shè)計(jì)為pTyr的生物電子等排陰離子基團(tuán)，是獲得低極性PTP1B抑制劑的有效方法。Ma等[32]基于“母核跳躍”方法合成了一系列咪唑烷-2,4-二酮類選擇性PTP1B抑制劑，其中PTP1B抑制活性較好的化合物14對TCPTP的選擇性達(dá)30倍以上，對接研究表明其結(jié)構(gòu)中的咪唑烷-2,4-二酮與A位點(diǎn)殘基Csy215-Ala217形成氫鍵作用，而芳環(huán)尾部則很好地嵌合在由幾個(gè)B位點(diǎn)中的關(guān)鍵殘基如Met 258、Arg 24和Arg 254等形成的口袋中；該化合物具有較高的研究價(jià)值。

圖7 化合物12～14的化學(xué)結(jié)構(gòu)和PTPs抑制活性

3.3 新型PTP1B變構(gòu)抑制劑

靶向親水性和保守性均較低的變構(gòu)位點(diǎn)可成為克服有限的細(xì)胞膜通透性以及實(shí)現(xiàn)選擇性的有效方法，這為PTP1B抑制劑的開發(fā)提供了新思路。迄今為止靶向PTP1B變構(gòu)位點(diǎn)的抑制劑尚不多，本文就圖8中所示的變構(gòu)抑制劑做詳細(xì)介紹。

圖8 新型PTP1B變構(gòu)抑制劑結(jié)構(gòu)和PTPs抑制活性

2004年，Wiesmann等[10]首次發(fā)現(xiàn)了PTP1B的變構(gòu)位點(diǎn)，并得到了PTP1B抑制活性很好的化合物15(即圖9-A中Compound 2)，此化合物結(jié)合于由α3和α6螺旋形成的凹槽內(nèi)，結(jié)構(gòu)中苯并呋喃部分位于Leu192、Phe196和Phe280所形成的疏水口袋中，酮羰基和Asn193側(cè)鏈形成氫鍵，磺酰胺中N原子也與Glu276的羧基形成氫鍵作用，苯酚基團(tuán)通過水分子介導(dǎo)與Phe196主鏈羰基形成氫鍵(如圖9-B)。此外，化合物15與沿著螺旋α3和α6的側(cè)鏈形成廣泛的疏水作用。Tang等[33]基于變構(gòu)抑制劑15，在保留藥物特征的同時(shí)通過分子骨架設(shè)計(jì)合成了新結(jié)構(gòu)化合物16，其中磺胺噻唑部分保持不變，苯并呋喃由取代苯基代替以改善配體效率。對接結(jié)果表明該化合物與變構(gòu)位點(diǎn)的相互作用與化合物15相似，苯環(huán)B位于由Ala189、Leu192和Phe280側(cè)鏈形成的疏水口袋中，在噻唑環(huán)和Phe280之間觀察到π-π堆積作用，酮羰基氧與Asn193以及酰胺氮與Glu276之間均有氫鍵作用?；衔?6對PTP1B的抑制活性是TCPTP抑制活性的13倍，且其在胰島素抵抗小鼠體內(nèi)能顯著增強(qiáng)胰島素敏感性，故該變構(gòu)抑制劑值得深入研究。

圖9 化合物15與PTP1B的晶體結(jié)構(gòu)圖[10]

根據(jù)Ottana等[34]的最新報(bào)道，該研究組在對1,3-噻唑烷-4-酮衍生物的后續(xù)研究中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的變構(gòu)位點(diǎn)，并合成了兩個(gè)PTP1B抑制活性較好的化合物17和18。與前面提及的變構(gòu)位點(diǎn)不同，此位點(diǎn)位于一個(gè)β-片段(包含Leu71和Lys73)與一個(gè)親脂性的封閉口袋(其封閉狀態(tài)由Pro210-Leu204組成的環(huán)所致)之間?；衔?7似乎與兩個(gè)不相互排斥的位點(diǎn)結(jié)合，即催化區(qū)和新確定的變構(gòu)位點(diǎn)。該化合物與新變構(gòu)位點(diǎn)的結(jié)合模式如圖10所示，它不僅與Lys237形成離子相互作用，而且與Gln78和Ser80的側(cè)鏈形成氫鍵，其芐氧基部分被掩埋于親脂性腔中。雖然化合物17是有效的PTP1B抑制劑，但它們在HepG2細(xì)胞中無任何的擬胰島素作用，不能排除其可能是負(fù)面干擾胰島素信號通路的下游因子。另一方面，化合物18主要結(jié)合于活性位點(diǎn)。在HepG2和C2C12細(xì)胞中，化合物18通過增強(qiáng)IRβ酪氨酸磷酸化水平進(jìn)而活化IR，除此之外，它也能激活下游Akt并增加C2C12骨骼肌細(xì)胞中2-脫氧葡萄糖的攝入?；衔?8作為新型PTP1B抑制劑不僅具有擬胰島素作用，而且還表現(xiàn)出抗炎性質(zhì)，可將其視為先導(dǎo)化合物用于PTP1B抑制劑的進(jìn)一步研究。

圖10 化合物17與新變構(gòu)位點(diǎn)的結(jié)合模式[34]

3.4 新型天然PTP1B抑制劑

近幾年來，大量天然產(chǎn)物及其衍生物表現(xiàn)出顯著的PTP1B抑制活性，部分新型天然PTP1B抑制劑的結(jié)構(gòu)和活性如圖11所示。

圖11 新型天然PTP1B抑制劑結(jié)構(gòu)和PTPs抑制活性

Li等[35]通過甘草黃酮化合物庫的篩選發(fā)現(xiàn)了新非競爭性PTP1B抑制劑19，與之前分離得到的競爭性PTP1B抑制劑20相比，活性有所增強(qiáng)，然而對同源酶VHR顯示出較差的選擇性(圖11)。在75 μmol/L濃度時(shí)，生物堿類競爭性PTP1B抑制劑21[36]對PTP1B抑制率為TCPTP的3.2倍，該化合物與Cys215、Tyr46、Phe182、Lys120等關(guān)鍵殘基作用，C-3脂肪側(cè)鏈的延伸可導(dǎo)致抑制活性降低，而C-4由甲基、乙基取代或C-9由甲氧基取代的化合物轉(zhuǎn)變?yōu)榉歉偁幮訮TP1B抑制劑。最近分離得到的香豆素22[37]也有顯著的PTP1B抑制活性。經(jīng)半合成得到的模繞酮酸衍生物23[38]對TCPTP顯示有非常好的選擇性，該化合物作用于B位點(diǎn)。Chen等[39]基于環(huán)狀二硫化合物庫篩選和結(jié)構(gòu)修飾合成了結(jié)構(gòu)罕見的1,2-二硫戊環(huán)-4-取代苯甲酸酯化合物24，它不僅顯著抑制PTP1B活性，而且對TCPTP顯示出約3倍選擇性。

4 結(jié) 語

目前進(jìn)入臨床試驗(yàn)的PTP1B抑制劑較少，大多數(shù)抑制劑還停留在初步研究階段，選擇性和細(xì)胞膜通透性是該類藥物研發(fā)的兩大壁壘。PTP1B抑制劑同時(shí)靶向A、B位點(diǎn)或靶向親脂性低保守變構(gòu)位點(diǎn)可改善其選擇性和細(xì)胞膜通透性；因此，開發(fā)不同結(jié)構(gòu)類型的雙位點(diǎn)PTP1B抑制劑和變構(gòu)抑制劑可作為高效、高選擇性以及較好藥代動力學(xué)性質(zhì)的PTP1B抑制劑的主要發(fā)展方向。另外，芳基二酮酸、芳基磺酰胺、1,3-噻唑烷-4-酮類化合物有較好的藥理學(xué)性質(zhì)，對其進(jìn)行進(jìn)一步研究有望推動PTP1B抑制劑的開發(fā)進(jìn)程。

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