仿天然产物如何设计？看看这篇Nature Chem.的“头脑风暴”

水淼99

2020-03-15

第一作者：George Karageorgis

通讯作者：Herbert Waldmann

通讯单位：马克斯普朗克分子生理学研究所

核心内容：

1. 讨论了利用天然产物（NP）衍生片段的全新组合作为合成新的生物活性化合物的总体策略。这些新型的仿自然产品类保留了NPs的生物相关性，但展示了自然界或通过现有设计策略无法获得的结构和生物活性。

2. 利用化学信息学工具分析了选定的仿NP库，以评估它们的分子形态多样性和性质。为了促进生物相关化学空间的探索，研究者确定了设计原则和连接模式，提供了前所未有的仿NP类，为生物活性小分子的发现提供了新的机会。

研究背景

天然产物(NPs)是发现基于新型分子支架的新型生物活性化合物的重要灵感来源。然而，目前只有少量的指导合成策略可用于生成新的NP衍生的支架，这限制了可获得化合物的数量和类型。

综述简介

最近，马克斯普朗克分子生理学研究所Herbert Waldmann等研究人员总结了仿天然产品的原理和设计原则。

图1. 生物相关化合物的设计方法。

要点1：生物相关化合物的设计方法

基于NP结构或更宽松的化学/结构考虑的库已通过不同的方法得到发展。一方面，NP衍生化合物可以直接从现成的NPs合成，Hergenrother和他的同事首先证明了通过在已有的反应位点上进行衍生化，以及通过环的变形和/或修饰(复杂性到多样性(CtD))可实现上述过程。例如，通过3-6次转变过程，包括开环、扩张、缩小等，可以将松香酸转化为多种多样的复杂化合物 (图1a)，而生物碱类奎尼丁的环畸变则产生了新的自噬抑制剂。另一种方法是直接合成和扭曲具有NP特性的复杂多环支架。例如，含有托品烷的化合物具有多种NPs内未发现的新支架，其中有几种被发现是新的溴域结合剂。

另一方面，遵循构建/偶联/成对策略的多样性导向合成(DOS)，则利用结构单元稳健的非对称分子间偶联来诱导立体化学多样性，接着是互补功能基团的分子内偶联，从而形成骨架多样性(图1b)。DOS并不直接基于NP结构。然而，化学多样性的DOS化合物类可以被认为是类NP，因为它们的立体化学含量更高，sp³杂化中心的比例也更高。

生物导向合成(BIOS)的灵感来自于NPs，它为基于简化NP支架的生物相关化合物的合成提供了信息。在BIOS中，NP支架的化学复杂性逐步降低，最终形成更小的中间支架，并作为合成仿NP化合物的起点(图1c)。BIOS可能受到化学和生物两方面的限制。利用生物合成技术生产未知的NPs的能力已经得到证明，例如，水平基因转移技术用于装配新的人工生物合成通路，以及激活未表达的生物合成通路。

要点2：仿NP化合物的发展

NPs的性质保留在NP衍生的片段中，并且NPs可能已经是片段大小，或者可以转换成片段大小的环系统。因此，前所未有的NP片段的结合和融合可能为研究者提供了一种新的支架，这种支架既保留了NPs的化学和生物学特性，又超出了自然界探索的与生物学相关的化学空间(图1c)。这些化合物将构成仿自然产物，因为这些新的仿NP的支架无法通过生物合成获得。与自然发生的小分子和BIOS集合相比，基于这类分子支架的化合物可能具有不同的性质，并可能表现出前所未有的生物活性。图2举例说明了具有代表性的仿NP类的设计和实际合成过程。在最初的设计步骤中，不同NP类的片段特征被识别出来，并以前所未有的方式组合起来(图2a)，然后开发合成路线并执行，以获得所需的仿NP类物质(图2b-f)。最后，在不同的生化和生物试验中确定新的仿NP化合物的生物活性。

Chromopynones1为仿NP化合物的设计和合成提供了一个说明性的例子。它包含一个桥接双环支架，该支架结合了广泛存在的具有生物活性的色烷和四氢嘧啶酮NP片段。它们在一锅法中被高效合成，其中的关键步骤是比吉内利反应(图2b)。

图2. 仿NP化合物的发展。

要点3：仿NPs的化学信息学分析

为了表征这些先前报道的仿NPs所占用的化学空间，研究者计算了吡咯烷类、吡咯喹诺酮类和吲哚培酮类的NP相似度。研究者将染色质和吲哚醌的这些化合物库的总NP相似度与ChEMBL 数据集、DrugBank中代表已上市和实验药物的批准药物集以及选定的BIOS库中的NPs相似度进行了比较。NP相似度衡量的是与商业非NPs相比，片段在NPs中出现的频率。其范围从-5到+5变化，数值越高表示NP相似度越高。为了计算NP相似度，相应的分子被分成以原子为中心的片段。通过它们在NPs中出现的相对频率除以它们在商业非NPs中出现的频率得到NP相似度。BIOS化合物的NP相似度分布较广，范围从0.0到+4.0(图3a，红色曲线)，并且与ChEMBL数据库中的NPs基本重合，这与预期一致。仿NPs分布更窄，范围从-1.0到+1.0(图3a，黑色曲线)，覆盖了NPs仅稀疏占据的部分化学空间。

通过对仿NP相关分子性质的计算，发现大部分仿NP符合利平斯基5规则 (Ro5)空间(60%为单个库，86%为对照库；图3 b)。因此，新的NP片段组合可能使仿NP支架成为类药物化合物。相比之下，只有48%的BIOS化合物位于类利平斯基空间(图3b)，但是与目前探索的仿NPs相比，它们的sp³杂交中心的比例更高。通过测定主转动惯量(PMI)图来评估仿NPs的分子形态多样性，发现仿NPs的分子形态从杆盘轴向更三维的分子形态系统地转移。大多数的合成分子都聚集在杆状圆盘的轴对称上，如DrugBank数据库中已批准药物的集合所示(图3c)。

图3. 仿NPs的化学信息学分析。

要点4：仿NP的结构分析

利用不同的连接方式，可以将NP衍生的片段组合在一起，生成新的仿NP(图4)：

（1）可以使用单峰或线性连接将两个片段连接起来，如苯基吡咯烷酮(图4a)，这两个片段之前被认为是雄激素受体拮抗剂。

（2）通过类比，多足连接将是可能的，并且可能受到合成可行性的限制。应优先考虑导致产生立体中心和结构更复杂的支架的模式，以捕获NPs的高立体化学含量。例如，在吲哚烷、吡咯烷和吡咯喹诺林中，相邻的两个片段是边对边熔合在一起的，共用两个原子。两个片段可以共享三个或更多的公共原子，形成一个桥接的双环骨架(图4d)，此外，两个相邻的碎片可能不共享任何公共原子，但甚至可能有一个或两个连接原子作为中间连接点(图4e)。相邻的片段可以通过不连续的原子连接，从而形成桥接的双足连接模式。吲哚美酮仿NP类就是这样一个例子。

图4. 可能的NP片段连接关系，以指导仿NP的合成和设计。

要点5：仿NP设计原则

给定一组NP片段的可选连接组合可以产生明显不同的仿NP支架，因此适当设计仿NP结构可以使化学空间的探索更加广阔。对于这种仿NP类的设计，有以下的通用规则：

（1）由于手性是许多NPs的定义性质，而立体性含量与生物活性相关，NP片段可以在配位反应中结合，从而形成新的三维支架，使其进一步衍生化。

（2）特别是氮(在药物中比在NPs中更常见)和氧(在NPs中更常见)应与具有互补杂原子含量的NP片段结合。

（3）将来自NPs的NP片段与不同的生物活性相结合，可以最大限度地提高所得到的仿NP支架的生物学相关性。

（4）与生物合成的非活性片段的结合可能有利于新的生物活性，因为生物合成的不同的NPs将由不同的酶合成，编码不同的结构特征，可能有助于与不同的蛋白质结合。

利用这些规则，研究者调查了吡咯烷酮类22-27和吡咯喹诺啉类28-35的区域同分异构体，作为五个相关但不同的例证(图5a)，并计算了它们的NP分数。研究发现化合物类25-27、34、35在6、43、44之前已经被合成，而其余的化合物类没有被报道。从这个分析中，出现了三个互补的替代原则(如下a-c)，它们从药物化学的支架跳跃方法中得到了灵感 (图5b-d)：

a）不同连接方式：支架将由不同的框架组成，实现上面列出的连接模式；

b）具有相同连接模式但不同区域异构连接点的片段组合：片段之间的连接模式将被保持，但是生成的支架内的原子随后是交替的；

c）多个片段可以以几种不同的连接模式组合：虽然几个片段的组合会导致高分子量的化合物，但这种仿NPs仍然有价值。

为了验证这些设计标准，必须合成一套完整的同分异构体支架，并广泛评估其生物活性。对于图5所示的同分异构体化合物类，文献检索发现，没有相应的数据。需要进一步创新的设计、合成和实验方法。

图5. 区域同分异构体吡咯烷和吡咯喹啉支架的NP相似度。

要点6：仿NPs的生物学评价

仿NPs可能表现出出乎意料的生物活性，这些活性不同于其片段来源的NPs的活性，这就需要在监测广阔生物空间的分析中对这些化合物进行研究。例如，图2中描述的仿NPs在细胞基础上进行了研究，通过不同的信号级联和表型变化(如脂滴形成、活性氧诱导、自噬)来监测进展。这样的筛选可以监测整个系统的变化，而不是单个的生物靶标，并且由于它们的无偏性，可以导致识别新的蛋白靶标。除了监测个体表型的建立外，最近开发的多参数高含量图像筛选技术将大量细胞形态特征的变化量化，将特别适合于探索新的仿NP类的生物学活性。它们将表型设置的无偏性与高含量显微镜提供的高信息量相结合，并可用于生成类或复合特异性表型指纹。指纹信息可用于推断小分子的生物学目标或作用模式，并可促进仿NPs的实现，作为发现生物活性化合物的一种更通用的设计策略。

小结

NPs将继续指导新的生物相关化合物库的设计，NP结构为开发NP类化合物库的不同方法提供了灵感。新的仿NP类化合物将对探索生物相关的化学空间有显著的提升，并最终对旨在调节疾病的分子的发现产生重要价值。

参考文献

Karageorgis,G., Foley, D.J., Laraia, L. et al. Principle and design of pseudo-naturalproducts. Nat. Chem. 12, 227–235 (2020).

DOI：10.1038/s41557-019-0411-x

https://doi.org/10.1038/s41557-019-0411-x