基于干扰VEGF翻译调控过程的新型血管生成抑制剂的发现与作用机制研究

Vascular endothelial growth factor (VEGF) is a pluripotent cytokine and angiogenic growth factor that plays crucial roles in embryonic development and tumor progression. Lowing the expression of VEGF in tumor cells is proved to be an effective strategy for anti-tumor drugs designing. Our previous studies reveal that small molecules can effectively regulate genes’ transcription via interaction with nucleic acid secondary structures locate within oncogenes’ regulation region, such as G-quadruplexes, and transcriptional factors that binding to them. There is a G-quadruplex forming sequence within the 5’-untranslated region (5’-UTR) of the human VEGF gene. This G-quadruplex is involved in the initiation of VEGF’s translation. Specifically, folding and stabilization of this structure in the internal ribosome enter site (IRES) will stimulate the initiation; on the other hand, recognition and binding of a translation factor eIF4A to the 5’-UTR can recruit the ribosome 40s subunit and thus also initiate the translation process. We found a novel quinazoline derivative could specifically interfere the formation of a G-quadruplex in the IRES region of VEGF’s mRNA, and down-regulate the translation. This compound could also exhibit antitumor activity on MCF-7 xenograft animals. Basing on these findings, we proposed a new drug design strategy for interfering the translational regulation of VEGF gene. We are going to design and synthesize novel small molecular interferers targeting te G-quadruplex in VEGF’s mRNA, or targeting the G-quadruplex-eIF4A complex. We will also plan to apply a panel of in vitro and in vivo experiments to screen and evaluate activities of these novel compounds, to identify their cellular target, and to test their anti-tumor activities. Upon these studies, novel angiogenesis inhibitors with high activity and selectivity will be found.

血管内皮生长因子VEGF是一种多功能血管生长因子，对肿瘤发展至关重要。降低细胞中VEGF含量是有效的抗肿瘤药物设计策略。我们前期研究发现小分子化合物可作用于癌基因调控区的核酸二级结构(G-四链体，G4)及相关转录因子，有效地调控基因转录水平。在人VEGF基因mRNA的非翻译区，存在可形成G4的富G序列，该结构的形成可触发VEGF的翻译起始过程；而该区域内G4与翻译因子eIF4A的结合也可触发翻译起始过程。我们发现，一类新的喹唑啉衍生物能特异性地干扰VEGF mRNA内G4的形成，明显抑制该基因的翻译，显示出了良好的抗肿瘤活性。本课题提出基于干预VEGF翻译调控过程的药物设计策略，拟分别以VEGF mRNA内G4及G4/eIF4A复合物为靶标，设计合成新的小分子干扰物，通过筛选、评价、靶标确证及抗肿瘤作用研究等工作，发现高活性和选择性的血管生成抑制剂。为发现新型抗肿瘤药物提供理论和实验依据。

本项目基于干预VEGF翻译调控过程的药物设计策略，开展了以RNA 结合蛋白 eIF4A 和 AUF1 为主要靶标的新型基因翻译抑制剂的发现及细胞内作业机制研究工作。具体研究内容及主要发现包括：.（1）以前期发现的喹唑啉衍生物为基础，开展了通过干预VEGFA 基因mRNA 的 IRES 区域核酸二级结构调控基因翻译水平的机制研究。发现喹唑啉类化合物SYSUQ-03，能够在细胞内环境作用于VEGFA的IRES区域G-四链体形成序列，通过拆散G-四链体结构，减少VEGFA蛋白的表达，从而有效抑制肿瘤的生长增殖。.（2）以 eIF4A 为靶标，开展了基于自有化合物库和商业化合物库的高通量筛选，获得了活性先导化合物。通过大规模化合物筛选，发现了8 个可以干预eIF4A和G-四链体RNA结合的先导化合物。进一步的机制研究发现先导化合物可以占据eIF4A与 mRNA 的结合位点，从而阻断 eIF4A 结合 mRNA 后的VEGF-A 基因的翻译起始过程。.（3）基于前期发现的构效关系，开展了干预癌基因翻译的新型抗肿瘤小分子化合物的发现和靶标确证工作。设计并合成得到了 49 个对甲硫基苯乙烯基取代的苯并呋喃喹啉衍生物，其中的一个先导化合物可以显著抑制黑色素瘤相关基因NRAS的翻译从而产生抑瘤作用，且其分子机制是通过稳定RNA G4的结构并干预RNA解旋酶的作用而实现的。.（4）基于干预 mRNA 水平实施翻译调控的策略，开展了以翻译调控蛋白AUF1为靶标的特异性激活剂的筛选及机制研究工作，获得 6 个活性明确、机制清晰的苗头化合物。.（5）基于双分子荧光互补技术（BiFC）和TALE特异性序列识别蛋白构建了细胞内特定序列二级结构检测平台。.（6）利用转录组学研究技术，系统研究了核酸G-四链体结构的小分子配体在基因组内的特异性结合区域，以及其靶基因的结构特征。发现核酸二级结构的特征性结构区域可以调控转录因子 p53的结合及发挥功能。. 这些研究与发现，进一步确证了基于干预重要癌基因翻译调控过程的药物设计策略的可行性，为发现新型抗肿瘤药物提供理论和实验依据。基于以上发现，共发表标注论文 6 篇、申请国内发明专利 2 项、培养博士生 2 名以及硕士生 3 名。