【JMC】中南大学邓旭教授等报道新型ATM降解剂

2024-04-25

蛋白降解靶向嵌合体临床结果

2024年4月18日，中南大学湘雅药学院邓旭教授以“Discovery of a Meisoindigo-Derived PROTAC as the ATM Degrader: Revolutionizing Colorectal Cancer Therapy via Synthetic Lethality with ATR Inhibitors”为题在线发表在药物化学领域国际顶级期刊Journal of Medicinal Chemistry上。作者基于定量蛋白质组学策略，成功设计并合成第一个高效和选择性ATM降解剂Mei-PROTAC 9b。9b单独暴露或联合ATR抑制剂诱导DNA损伤累积和凋亡细胞死亡，在体外和体内均显示出优异的抗结直肠活性。其研究结果不仅为靶向DDR的结直肠癌治疗提供了新的范式，而且通过合成致死作用拓宽了ATR抑制剂的治疗范围，从而为规避化疗耐药和减少耐药的出现提供了一种有前景的方法。靶向DNA损伤应答(DDR)通路内的关键细胞周期检查点，如共济失调毛细血管扩张突变(ATM)和共济失调毛细血管扩张和RAD3相关(ATR)，是一种有前景的癌症精准治疗策略。ATM和ATR属于磷脂酰肌醇3-激酶相关蛋白激酶家族，通过响应特定的DNA损伤因素来协调DDR。ATM和DNA依赖性蛋白激酶主要对双链DNA断裂(DSBs)产生应答，而ATR在复制应激期间被单链DNA损伤激活，例如某些遗传毒性药物(如顺铂)治疗后DNA复制叉出现停滞。具体而言，DSB上ATM的激活导致关键下游转导子和效应子的磷酸化，包括DSB修复因子CtIP、组蛋白变异体H2AX、肿瘤抑制因子BRCA1和p53以及检查点转导激酶CHK2，从而导致细胞周期阻滞和促进DDR过程。尽管ATM通路的破坏具有显著意义，但高达70%的肿瘤中观察到这些缺陷导致细胞生存依赖于代偿性DDR途径(即ATR-CHK1轴)。因此，选择性地抑制ATR活性可在ATM缺乏的情况下诱导合成致死，这为克服化疗耐药和提高疗效提供了一种有前景的策略。Mei通过抑制多种致癌途径，包括DNA生物合成、微管组装和细胞周期阻滞等对多种恶性肿瘤有抑制作用，包括急性髓系白血病(AML)和急性早幼粒细胞白血病(APL)，结直肠和胰腺导管腺癌等。然而，Mei抑制癌细胞生长的确切机制以及直接分子靶点仍不清楚。为探究甲异靛(Mei)在慢性髓性白血病(CML)治疗中的分子靶点和作用机制，作者设计和合成一系列Mei-PROTACs。Mei-PROTACs对不同癌细胞的抑制作用图1 (A) 9b对多种癌细胞的抑制作用；(B) 不同浓度9b处理SW620、SW480和HIEC-6细胞的细胞活力作者通过系列化合物的合成，分别得到CRBN型和VHL型的Mei-PROTACs，其中VHL型的PROTACs比CRBN型的PROTACs具有更优异的肿瘤抑制作用。这可能是由于蛋白质表面特性的变化，使得VHL能够建立稳定的三元复合物和高亲和力结合界面。随后，作者进一步测试了9b和6f对一系列癌细胞的细胞毒性。如表1和图1A所示，9b表现出对多种癌细胞的低微摩尔细胞毒性。SW620细胞和SW480细胞对9b的敏感性显著高于亲本化合物Mei和VH032-Boc。此外，9b对结直肠癌细胞的选择性是正常人肠上皮细胞HIEC-6的6倍且呈剂量依赖性(图1B)。对应的，6f对除A2780、SW620和RKO细胞外的大多数癌细胞株的增殖无明显影响。鉴于其显著的细胞毒性，优化后的PROTAC 9b成为后续研究结直肠癌细胞系(SW620和SW480细胞)中药物作用靶点和机制的焦点。9b诱导的ATM降解高度依赖vhl介导的泛素-蛋白酶体途径9b在SW620和SW480中以时间和浓度依赖性的方式有效降解ATM（图2A, B）。为了进一步评估9b诱导ATM降解的VHL-蛋白酶体依赖机制，作者进行了一系列的验证，包括:(1)与相应的E3泛素连接酶配体和母体化合物的竞争实验;(2)在蛋白酶体抑制剂和溶酶体抑制剂存在的情况下进行9b处理。结果表明：在SW620和SW480细胞中，VHL配体VH032-Boc和亲本化合物Mei可以剂量依赖性地拮抗9b诱导的ATM降解。这些结果表明，9b介导的ATM降解是通过Mei部分与ATM和VH032部分与VHL结合形成VHL-9b-ATM三元复合物来实现的。此外，选择性蛋白酶体抑制剂MG132和Epoxomicin(图2F、G)共处理可终止9b诱导的ATM降解。图2：9b对ATM的降解作用9b与ATR抑制剂AZD6738联用可有效抑制小鼠体内的肿瘤生长为了进一步验证9b的治疗效果，并进一步证实ATM和ATR抑制在结直肠癌中合成致死的概念，作者在SW620异种移植小鼠模型上评估了9b的体内抗肿瘤活性，剂量为15 mg kg -1 (9b)和/或25 mg kg -1 (AZD6738)，每天1次，连续14天(每组n = 5)。如图3A、B所示，与空白对照组、9b或AZD6738单药治疗相比，9b和AZD6738联合治疗显著降低了肿瘤负荷，显示出协同作用，证明了在体内ATM降解和ATR抑制之间存在的合成致死效应。此外，如图3C所示，在给予9b, AZD6738或其组合方案后，小鼠的体重没有明显下降，表明其具有良好的耐受性。通过对切除的肿瘤标本进行切片、HE染色，以及随后的免疫组织化学形态学分析，探讨体内肿瘤细胞的形态学变化和凋亡诱导。如图3D所示，9b和AZD6738治疗刺激了显著的形态学变化，并伴有坏死、炎症细胞浸润和纤维化的征象。此外，9b/AZD6738组合显著增强了γ-H2AX(表明DNA损伤)和Cleavedcaspase 3(细胞凋亡的标志)的免疫反应性(图3D)。图3：9b和ATR抑制剂在异种移植小鼠模型中的体内治疗作用总结为探究甲异靛(Mei)在慢性髓性白血病(CML)治疗中的分子靶点和作用机制，作者设计和合成一系列Mei-PROTACs。VHL型PROTAC分子 9b对SW620、SW480和K562细胞具有较高的细胞毒性。结合广泛的验证分析，揭示了9b在SW620和SW480细胞中以泛素-蛋白酶体依赖的方式有效和选择性地降解ATM。9b诱导的ATM选择性降解促进了DNA损伤反应级联反应，从而导致细胞周期阻滞和细胞凋亡。值得注意的是，在体内外实验中，9b诱导的ATM降解协同增强了ATR抑制剂AZD6738的作用。这项工作确定了ATR抑制剂在ATM缺乏的情况下的合成致死性，从而为结直肠癌的创新疗法提供了新途径。原文链接： https://pubs-acs-org.libproxy1.nus.edu.sg/doi/10.1021/acs.jmedchem.4c00454声明：发表/转载本文仅仅是出于传播信息的需要，并不意味着代表本公众号观点或证实其内容的真实性。据此内容作出的任何判断，后果自负。若有侵权，告知必删！长按关注本公众号粉丝群/投稿/授权/广告等请联系公众号助手觉得本文好看，请点这里↓