От оргазма до бессмертия. Записки драг-дизайнера

Дизайн первых ласточек

Циклические пептиды, как природные, так и синтетические, вообще более приспособлены к тому, чтобы сопротивляться пептидазам. Кое-какие из них способны даже избежать разрушения при прохождении через желудочно-кишечный тракт, то есть лекарственные средства на их основе могли бы быть даже таблетками. Недавняя статья перечисляет более пятидесяти типов таких циклопептидов — от четырех- до четырнадцатичленных.

В то же время, как показали конформационные расчеты, не только брадикинин, но и многие другие линейные пептиды могут обладать квазициклическими конформациями в растворе. К ним относится тот же ангиотензин; несколько групп химиков синтезировали различные циклические аналоги этого пептида. Циклизация была, как правило, внутренней: пары аминокислотных остатков в пептидной цепочке заменялись таким образом, чтобы их боковые цепи могли вступать в химическую реакцию с образованием валентной связи. Существенно, что замены выбирались не только из стандартных двадцати аминокислот: новые остатки могли быть и неприродными, специально изготовленными для этой цели.

Большинство из нескольких десятков синтезированных циклических аналогов ангиотензина утратили активность, но некоторые ее сохраняли. Термин «активность» здесь, впрочем, обозначает не реальную физиологическую активность аналога ангиотензина — например, сокращение кровеносных сосудов, — а лишь его способность быть узнанным соответствующими участками клеточных мембран. Эти участки содержат специфические для данного пептида рецепторы — белки, о которых в дальнейшем будет говориться подробно. Уровень связывания аналога со своим рецептором можно измерить и сравнить с таким же уровнем для природного пептида: если аналог плохо связывается с рецепторами, то и проявлять биологическую активность он не будет.

В лаборатории Гарланда Маршалла в Вашингтонском университете города Сент-Луиса в штате Миссури, где я проработал восемнадцать лет, тоже занимались циклическими аналогами ангиотензина. По данным наших расчетов оказывалось, что, если соединить валентной связью особые неприродные боковые цепи, расположенные в позициях 3-5 или 5-7 цепочки ангиотензина, новые циклические аналоги будут сохранять многие конформации природного ангиотензина. Действительно, такие соединения связывались с рецепторами не хуже самого ангиотензина. Однако функциональной активности они не проявили: как и следовало ожидать, «правильная» конформация есть для этого условие необходимое, но недостаточное.

Такой же результат — высокий уровень связывания, но не активности — сопутствовал и нашему дизайну циклических аналогов пятичленного энкефалина, биорегулятора, воздействующего на рецепторы опиоидов (например, морфина), веществ, останавливающих боль. Помимо обычных «левых», в синтез аналогов были включены и «правые» аминокислотные остатки. Полезным побочным эффектом было и то, что один из аналогов удалось закристаллизовать и определить его пространственную структуру методами рентгенографического анализа — редкий случай успешного «замораживания» короткого пептида.

Синтез коротких циклов давался нелегко — но ведущим специалистом-химиком в нашей лаборатории была Вэйчжун Чжан, принимавшая когда-то участие в легендарном тотальном синтезе инсулина. Вождь коммунистического Китая Мао Цзедун провозгласил в 1958 году политику «большого скачка» с целью догнать и обогнать Великобританию за пятнадцать лет. (Советский Союз как раз тогда обещал за пятнадцать лет превзойти США, и Китаю нельзя было отставать от Старшего Брата.) Пептидные же химики Китая предложили поставить мировой рекорд: полностью синтезировать инсулин, пептид из двух цепей, каждая по двадцать с лишним звеньев. Не было исходных аминокислот, нужных реактивов и современного оборудования — все приходилось изготовлять самим, с нуля. К этой титанической работе привлекли и молодую студентку Вэйчжун. Синтез инсулина был завершен к 1965 году.

А большой скачок — создание сельскохозяйственных коммун, выплавка стали в примитивных очагах на огородах, самодельные оросительные системы — провалился уже в 1962 году и стал причиной страшного голода и смерти десятков миллионов людей. Мао Цзедун ответил на это новой инициативой, «культурной революцией», отправившей целый слой образованных горожан — в том числе и Вэйчжун — на «перевоспитание» в голодную деревню. Университеты по всей стране были закрыты и возобновили свою работу только в начале семидесятых.

Вэйчжун вернулась в Шанхай и приехала в США уже будучи профессором Института биохимии. Она была старше меня лет на пятнадцать, но мы подружились — оба хорошо помнили опыт жизни в коммунистических странах. Но оценивали мы его по-разному. Несмотря на все, что ей пришлось перенести, Вэйчжун считала правление коммунистов благом для Китая — иначе, говорила она, страна бы распалась на куски, воюющие друг с другом.

Описанные выше примеры циклопептидов продемонстрировали, что внутримолекулярная циклизация может быть непосредственно использована в процессе драг-дизайна новых лекарств. Впервые такого успеха добилась дополнительная направленная циклизация изначально циклического природного пептида соматостатина. Цепочка соматостатина содержит четырнадцать аминокислот; положения 3 и 14 соединены валентной связью между атомами боковых цепей. Модификации соматостатина могли бы открыть путь к лекарственным препаратам для борьбы с патологическими замедлениями роста человека. Этой задачей занялась группа исследователей из США, работавших в фармакологической компании «Мерк» под руководством Дана Вебера.

Методом драг-дизайна, избранным Вебером, был направленный синтез аналогов соматостатина с ограниченными конформационными возможностями. Экспериментальные физико-химические данные давали основание полагать, что в пространственном отношении центральная часть молекулы напоминает несколько искаженный четырехугольник. Поэтому первый из синтезированных аналогов представлял собой цикл последовательности 4-13 с замкнутыми концами остова.

Новый аналог был функционально активным, и следующим шагом Вебер попытался закрепить предполагаемый «четырехугольник». К тому времени исследования пространственной структуры показали, что такая конформация стабилизируется, если в одной из вершин четырехугольника «левый» аминокислотный остаток заменить на такой же «правый». Аналог с «правым» аминокислотным остатком проявил активность даже большую, чем природный соматостатин.

В конформации «четырехугольника» аминокислотные остатки в положениях 5 и 12 сближены, причем характер их боковых цепей, как было установлено ранее, не влияет на биологическую активность соматостатина. Это позволило продолжить ограничение конформационной подвижности молекулы, заменив боковые цепи в этих положениях на другие, между которыми было возможно образование валентной связи. В итоге получился «бицикл» (внешний цикл 4-13 и внутренний 5-12), опять-таки сохраняющий полную активность соматостатина.

Исследователи попробовали еще более уменьшить размер внутреннего цикла, и вновь им сопутствовала удача: аналог, где одна из аминокислот цикла была удалена, по-прежнему был высокоактивным. Минимальным же фрагментом, обладающим полной активностью соматостатина, оказался шестичленный пептид на основе последовательности 6-11 с «правой» центральной аминокислотой и с замкнутыми концами пептидного остова.

Таким образом, за счет направленного дизайна размер активного аналога пептидной молекулы сократился более наполовину. Но этот аналог обладал также и процитированным действием: он понижал уровень гормона роста у лабораторных крыс в течение трех часов. Дальнейшее совершенствование укороченных циклоаналогов соматостатина в конце концов привело к лекарственным средствам; сегодня в терапии широко используются препараты сандостатин (октреотид) и ланреотид.

От соматостатина к октреотиду: структурные формулы, конформации, лекарство

С Даном Вебером я впервые встретился в 1991 году на двенадцатом Американском пептидном симпозиуме в Бостоне, собравшем около тысячи участников. Он был главным — пленарным — докладчиком и рассказывал в своей лекции как раз о циклических аналогах соматостатина. Для меня это была первая большая научная конференция после переезда в США, на которой предстояло выступить — пусть всего лишь с кратким докладом, но перед большой аудиторией и не на родном языке. К тому же председатель Оргкомитета дал понять, что почетная возможность устного выступления мне, новичку, предоставлена авансом: если я провалюсь, сказал он, второго раза не будет. Я и был на грани провала, потому что решил подстраховаться, забыв с испуга, что лучше корявым языком излагать собственные мысли, чем механически зачитывать выглаженный машинописный текст. Примерно на второй странице я все же смог оторваться от чтения, и доклад закончился благополучно. А с Вебером мы потом неоднократно пересекались и на Американских, и на Европейских пептидных симпозиумах.

Кстати говоря, мой доклад в Бостоне тоже был связан с циклическими пептидами. Моя американская жизнь начиналась в Аризонском университете в городе Тусоне, в лаборатории одного из ведущих пептидных химиков США профессора Виктора Руби. Предметом исследования там был линейный тринадцатичленный пептид альфа-меланотропин, регулирующий выделение кожного пигмента в организме человека. Конформационные расчеты этого пептида и аналогов, синтезированных в лаборатории, показали, что его центральная часть может принимать лишь четыре типа стабильных конформаций остова. Поэтому мы предложили четыре типа циклических аналогов центральной части; два аналога оказались полностью активными.

В дальнейшем аризонские химики довели аналоги альфа-меланотропина до уровня препаратов, позволяли их приобрести равномерный загар даже тем, кому вредны солнечные ультрафиолетовые лучи. Один из них, линейный пептид меланотан-1, сегодня разрешен к клиническому применению в Европе; документы для получения разрешения в США рассматриваются. Второй же, циклический пептид меланотан-2, сходный с аналогами, о которых шла речь в Бостоне, обнаружил дополнительные свойства слабого афродизиака, стимулятора сексуальной активности. Он сравнительно широко продается в Европе, несмотря на разноречивые отклики врачей. Оба пептида доступны в России; они производятся компанией с несколько странным официальным названием «Рашн пептаид», что, по-видимому, должно означать Russian Peptide.

С таких и им подобных разработок начиналась так называемая первая волна внедрения пептидных лекарственных средств в практическую медицину. Они были сосредоточены на модификациях пептидов, позволяющих сохранить «правильную» конформацию и одновременно защитить молекулу от пептидаз. Идея о том, что на основе природных пептидов можно изготовить настоящее лекарство, укоренилась и привела в движение могучие ресурсы органической химии.