靶向分子伴侣系统的药物研发新策略

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

在蛋白的生命周期中，人热休克蛋白家族 (Heat Shock Proteins, HSPs) 与肿瘤、恶性炎症、神经退行性疾病等均具有直接关系，HSPs家族核心成员Hsp90被视作极具前景的新型药物靶标和肿瘤生物标志物。Hsp90属于分子伴侣蛋白，需要通过蛋白-蛋白相互作用（PPI）与不同的辅助伴侣分子（Co-chaperones）结合来实现对不同种类的客户蛋白的精确调控。其中，细胞分裂周期蛋白37（Cell division cycle protein, Cdc37）是一种重要的辅助伴侣分子，可以特异性地识别蛋白激酶，通过Hsp90-Cdc37-Kinases体系稳定蛋白激酶的催化域结构并调控其成熟过程。与传统的Hsp90 ATPase竞争型抑制剂相比，阻断Hsp90-Cdc37相互作用可以选择性地影响特定的蛋白激酶类客户蛋白，而非全部的Hsp90客户蛋白，以此来避免并克服Hsp90 ATPase竞争型抑制剂在临床上表现出的毒副作用。因此，Hsp90-Cdc37蛋白-蛋白相互作用可能成为一种新型且有效的癌症治疗靶标。近日，中国药科大学的尤启冬教授（点击查看介绍）课题组通过合理设计Hsp90-Cdc37 PPI小分子调控剂，首次阐明了其相互作用的结构特征并获得了特异性小分子抑制剂。

在本课题研究早期，由于无特异性的Hsp90-Cdc37 PPI抑制剂报道，以Hsp90-Cdc37-Kinases体系为靶标的调控剂研究十分困难。为解决这一难点，课题组基于Hsp90-Cdc37相互作用过程中的动态识别位点，建立了针对Hsp90-Cdc37相互识别特征的调控剂设计新方法，首次获得了具有明确结合位点的特异性小分子调控剂DDO-5936。DDO-5936结合于Hsp90非ATP位点的Glu47，在不影响Hsp90 ATPase功能的同时高效抑制Hsp90-Cdc37 PPI，从而选择性地抑制蛋白激酶，而对Hsp90的非激酶类客户蛋白无影响，最终实现对肿瘤细胞的抑制活性。DDO-5936的发现不仅验证了Hsp90-Cdc37相互作用过程中的关键识别位点，同时证明了特异性调控Hsp90-Cdc37 PPI可以实现对Hsp90激酶类客户蛋白的选择性抑制，为以Hsp90-Cdc37-Kinases体系为靶标的抗肿瘤药物研发提供了具有可行性的理论基础。

DDO-5936作为探针分子表现出了较强的亲和力、特异性和低毒副作用，然而其血浆及肝微粒体不稳定性、水溶性、药代性质等却限制了其作为药物分子的进一步开发。为了解决DDO-5936的理化性质及成药性问题，基于DDO-5936的化学结构及其结合模式，课题组将DDO-5936的母核区域化分割为四部分进行了多轮结构优化，全面的构效关系研究表明化合物18h具有更强的体外亲和力，更好的血浆稳定性、肝微粒体稳定性和更优的药代动力学性质，最终实现了此类化合物的体内口服有效性。

以上研究成果近期发表于Science Advances ^[1]和Journal of Medicinal Chemistry^[2]杂志上，文章的第一作者为尤启冬课题组的王磊博士。

1. 原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Small-molecule inhibitor targeting the Hsp90-Cdc37 protein-protein interaction in colorectal cancer

Lei Wang, Lixiao Zhang, Li Li, Jingsheng Jiang, Zhen Zheng, Jialin Shang, Chengxiang Wang, Weilin Chen, Qichao Bao, Xiaoli Xu, Zhengyu Jiang*, Jian Zhang*, Qidong You*

Sci. Adv., 2019, 5, eaax2277. DOI: 10.1126/sciadv.aax2277

2. 原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Discovery and Optimization of Small Molecules Targeting the Protein-Protein Interaction of Heat Shock Protein 90 (Hsp90) and Cell Division Cycle 37 as Orally Active Inhibitors for the Treatment of Colorectal Cancer

Lei Wang, Jingsheng Jiang, Lixiao Zhang, Qiuyue Zhang, Jianrui Zhou, Li Li, Xiaoli Xu*, Qidong You*

J. Med. Chem., 2020, 63, 1281-1297, DOI: 10.1021/acs.jmedchem.9b01659

尤启冬教授课题组简介

尤启冬，中国药科大学教授，国家“万人计划”教学名师，国家教学名师。现任江苏省药物分子设计与成药性优化重点实验室主任，天然药物活性组分与药效国家重点实验室天然活性物质成药性研究方向负责人。药物化学顶级杂志Journal of Medicinal Chemistry编委。课题组常年致力于研发靶向复杂蛋白-蛋白相互作用的小分子调控剂，通过寻找全新作用机制的小分子，为药物开发提供更多思路与策略。在相关领域发表SCI论文200余篇，包括Sci.Adv.、Med Res Rev.、J. Med. Chem.等国际权威杂志。

https://www.x-mol.com/university/faculty/49905

科研思路分析

Q：该研究的驱动因素是什么？为什么要选择这个靶标开发抑制剂？

A：蛋白-蛋白相互作用是生命体中的基本事件之一，是生物体进行自我调控的一种手段，存在于几乎全部的生物学事件中。在众多的Hsp90客户蛋白中，蛋白激酶类是与肿瘤的发生与发展高度相关的。其中，绝大多数的蛋白激酶需要Cdc37蛋白的协助才能完成Hsp90伴侣循环的过程，最终实现蛋白的装配成熟与释放。与传统的Hsp90 ATPase竞争型抑制剂相比，阻断Hsp90-Cdc37相互作用可以选择性地影响特定的蛋白激酶类客户蛋白，而非全部的Hsp90客户蛋白，以此来避免并克服Hsp90 ATPase竞争型抑制剂在临床上表现出的毒副作用。因此，Hsp90-Cdc37蛋白-蛋白相互作用可能成为一种新型且有效的癌症治疗靶标。

Q：研究过程中遇到的最大难点是什么？

A：Hsp90-Cdc37 PPI的相关研究较少，可用的参考信息有限。在课题组研究初期没有明确的研究思路和研究方法，在这个过程中我们通过逐步摸索靶标的识别特征和相互作用模式，通过不断优化抑制剂筛选方法和实验方案，最终才得到具有一定活性的苗头分子。

Q：本项研究的思路与结果有哪些可能的应用？在未来如何帮助此领域的药物研发工作？

A：虽然Hsp90ATP酶抑制剂在抗肿瘤治疗中发挥了重要作用，但不可避免的热休克发反应、有限的疗效、各种毒副作用限制了其临床应用。Hsp90在分子伴侣循环中，与不同的共伴侣进行PPI以完成特定的功能。Cdc37被认为是一种对Hsp90和激酶都有重要作用的激酶特异性伴侣，不同于直接抑制ATP酶，靶向Hsp90-Cdc37 PPI是一种通过阻断激酶成熟，具有特异性和安全性的癌症治疗的替代策略。以Hsp90-Cdc37-PPI为靶点的小分子的发展为了解Hsp90-Cdc37分子的激酶募集方式提供了机会。考虑到其完全不同的调控机制，这些调控因子可能与其他激酶抑制剂联合应用，以探索更大的应用潜力。