靶向分子伴侣系统的药物研发新策略

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

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

2.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

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

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。