【人物与科研】山东大学李敏勇教授课题组JMC：基于HSP90的小分子蛋白降解剂H
导语
在对药物化学的不断探索中，新的靶向疾病驱动蛋白的策略正在不断地被开发，其中由小分子诱导的靶向蛋白降解策略是近年来最值得关注的。该策略可以靶向无活性位点或者不可成药的蛋白靶标，使得降解任意一种蛋白成为了可能。PROTAC技术相关的候选药物ARV-110和ARV-471已进入临床II期，PROTAC技术主要针对细胞内蛋白，而LYTAC和AbTAC等一系列技术可以降解细胞外分泌蛋白和膜蛋白。蛋白降解技术在靶向不可成药靶点和疾病治疗方面展现出了非常大的潜力。虽然这些新的降解技术的出现可以克服小分子抑制剂的局限性，但也存在一些局限性：可能导致在许多组织和器官中不参与疾病过程的靶蛋白的降解，从而在治疗过程中可能导致严重的副作用。另外一方面，小分子PROTAC通过“劫持”E3连接酶发挥其降解作用，然而已有研究表明基于VHL和CRBN的小分子PROTAC在细胞中会引起脱靶效应和耐药机制的产生。因此，迫切需要扩大靶向降解技术的范围，开发新的蛋白降解技术。
针对这一问题，近日，山东大学药学院李敏勇教授课题组在PROTAC技术的基础上开发了一种新的基于热休克蛋白90（HSP90）的小分子蛋白降解剂，即热休克蛋白90介导的靶向嵌合体（HEat shock protein 90 (HSP90)-MediatedTArgetingChimeras, HEMTACs）。相关研究成果以“Targeted Protein Degradation Induced by HEMTACs Based on HSP90”为题发表在药物化学权威期刊Journal of Medicinal Chemistry（DOI: 10.1021/acs.jmedchem.2c01648）。
前沿科研成果
作为一种重要的分子伴侣，HSP90可以激活不同的底物蛋白，进而参与多种生命活动的调节。为了使蛋白质行使其正常的生物学功能，分子伴侣可以激活新合成的蛋白质、组装和解聚分子复合物、帮助异常折叠的蛋白质重新折叠、与泛素-蛋白酶体系统协同调节并降解错误折叠蛋白等。降解的主要动力在于HSP90可以直接与许多E3泛素连接酶相互作用，研究表明人体中大约有30%的E3连接酶被发现与HSP90结合，比如UHRF1、CHIP、CUL5和MDM2等。E3泛素连接酶通过在底物蛋白上附着一个小的泛素蛋白，将底物蛋白识别标记为缺陷蛋白或受损蛋白，从而可以将其导入泛素-蛋白酶体系统中进行降解，阻止错误折叠蛋白的正常定位，防止其干扰细胞的正常功能。
此外，研究发现热休克蛋白家族与肿瘤关系密切，HSP90在一些癌基因及其产物诱导的肿瘤细胞中过度活化且表达异常增高，并参与肿瘤的生长、侵袭、转移等。
基于HSP90能够结合E3泛素连接酶形成复合物的关键特性以及HSP90与肿瘤之间的密切关系，山东大学李敏勇教授课题组设计开发了一种新型的基于HSP90的小分子降解剂HEMTAC。小分子HEMTACs 包含三个部分：与靶蛋白结合的配体、连接链和与HSP90结合的配体。连接链连接两个配体构成小分子HEMTACs。HEMTACs通过“劫持”HSP90，也就是“劫持”HSP90/E3泛素连接酶复合物（HSP90/E3），可以诱导目标蛋白（POI）、HEMTAC和HSP90/E3复合物之间形成新的三元复合物。形成的POI-HEMTAC-HSP90/E3三元复合物是将E3泛素连接酶招募到目标蛋白及随后的泛素分子转移并诱导目标蛋白被蛋白酶体降解的必要条件。
（来源：Journal of Medicinal Chemistry）
基于HEMTAC的设计思路，作者选取了HSP90的抑制剂BIIB021作为其配体——因为BIIB021是一个全合成的小分子且相较于其他的抑制剂分子量小，并根据其N7位暴露于溶剂区域的特点，将7位N变为碳原子以连接Linker。细胞周期蛋白依赖性激酶4和6（CDK4/6），是人体细胞分裂增殖周期的关键条件蛋白，可触发细胞周期从生长期向DNA复制期转变。CDK4/6在很多恶性肿瘤中高度表达，表现过度活跃，并且促使癌细胞增殖扩散，因此CDK4/6是目前抗肿瘤药物研发的热门靶点。在该研究中，作者以CDK4/6作为目的靶点，希望通过小分子HEMTACs成功诱导CDK4/6蛋白的降解。选取palbociclib作为其配体，设计了一系列靶向CDK4/6的小分子HEMTAC。
（来源：Journal of Medicinal Chemistry）
活性评价结果表明化合物26具有最强的诱导CDK4/6降解的活性。然后，作者又合成了一系列对照化合物，文献表明：对BIIB021的氨基进行乙酰化后，BIIB021无法结合HSP90；同样地，在化合物26中相同的位置乙酰化后，HEMTAC 26失去活性，表明降解是由HSP90所介导的。此外，通过免疫共沉淀实验证明了HSP90-HEMTAC-CDK4/6三元复合物的生成。
（来源：Journal of Medicinal Chemistry）
接着进行了小鼠体内研究以检测化合物26对肿瘤生长的影响。以B16F10细胞来源的黑色素瘤移植瘤作为体内抑瘤模型。与对照组相比，化合物26抑制肿瘤的生长，产生了显著的抗肿瘤作用。随后将从对照组和给药组收集的肿瘤样本通过免疫组化染色和 HE 染色进行检测分析，结果表明给药组肿瘤样本中CDK4/6的水平明显降低，并且给药组肿瘤细胞有凋亡的趋势，说明了HEMTAC 26可以通过降解CDK4/6达到体内抑制黑色素瘤的目的。
（来源：Journal of Medicinal Chemistry）
综上，该研究开发了一种新型的基于HSP90配体BIIB021的小分子HEMTAC。与PROTAC不同的是，E3连接酶广泛表达于疾病部位和正常组织内，这将会导致PROTAC产生脱靶等副作用。但是分子伴侣如HSP90构成的复合体在肿瘤组织中与健康组织相比处于高度激活且高表达的状态，这导致与分子伴侣结合的小分子如HEMTAC具有独特的肿瘤选择性药代动力学特征。本研究也为开发广泛表达的目标蛋白的降解剂提供了更多选择。总之，这项工作将HSP90纳入靶向蛋白降解策略，扩大了靶向蛋白降解的范围，为以靶向蛋白降解技术开发的药物更广泛地应用于临床研究提供了更多的可能性，并为降解同一靶点提供了更多的选择，同时也为开发其他相关的蛋白降解技术提供了一种新的、行之有效的策略。
相关成果近期发表在药物化学权威期刊Journal of Medicinal Chemistry，山东大学药学院李敏勇教授为论文的通讯作者，山东大学药学院博士研究生李臻臻为论文的第一作者。该工作获得了国家自然科学基金、山东省泰山学者、山东省自然科学基金、微生物技术国家重点实验室创新群体基金等项目的资助。
教授简介
课题组合影
李敏勇，山东大学药学院教授、药物化学专业博士生导师，英国皇家化学会会士、英国皇家生物学会会士、国际先进材料学会会士，教育部新世纪优秀人才、山东大学齐鲁青年学者、山东大学杰出中青年学者、山东省泰山学者青年专家、山东省泰山学者特聘专家。主要研究方向为药物化学与化学生物学研究，针对重大疾病靶点蛋白，开展基于可视化的创新药物和探针分子研究。近5年在J. Am. Chem. Soc.、Cell Chem. Biol.、Acta Pharm. Sin. B、Anal. Chem.、J. Med. Chem.等期刊发表SCI论文70余篇，被SCI引用5400余次，被引H指数为41；授权中国和PCT发明专利20项。
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