基于活性天然产物verucopeptin的药物靶点发现研究

Historically, natural products were the sources of innovative drugs, however, diminished focus on natural products by the major pharmaceutical companies was emerging due to the blurred mechanism of bioactive natural products, which has been a major concern for natural product drug discovery. Natural products, resulting from interaction and evolutionary optimization by their biosynthetic enzymes, represent unique chemical space, which make it a valuable source for biological function investigation. Thus, study on biological mechanisms of natural products is important both in molecular probe design and drug discovery.. Verucopeptin, named piperazic acid containing pyranylated cyclodepsipeptide (PA-PCD), represents a powerful skeleton, exhibiting excellent activities against a large panel of primary cancer cell lines as well as multi-drug resistant (MDR) cancer cells through an unresolved mechanism. In this program, we adopt an integrated strategy, combining chemical biology and molecular biology approach to uncover the precise mechanism of action of verucopeptin, our research will lay a theoretical foundation for verucopeptin as drug leads and biological probe in basic research areas.

天然产物一直以来都是创新药物的重要来源，然而近年来大型制药公司对天然产物来源药物的研发热情却在逐年下降，一个很重要的原因是诸多活性天然产物的作用机制不够明确，这极大的阻碍了活性天然药物的研发进程。此外，与合成小分子相比，天然产物具有独特的化学空间以及与生物体内代谢酶类有着更高的亲和力，这使得天然产物具有更加独特的生物学功能，因此，活性天然产物的生物学功能研究无论对于基础研究还是药物研发都有着重要的意义。.Verucopeptin是吡喃环修饰含有哒嗪烷酸的环酯肽类天然产物，对原发肿瘤细胞和多重耐药肿瘤细胞都具有优异的活性，其独特的化学结构和优异的抗肿瘤活性预示其作用靶点的重要价值以及独特的生物学功能。本项目以verucopeptin为研究对象，采用化学生物学和分子生物学等手段探索其直接作用靶点和杀伤肿瘤细胞分子机制，为verucopeptin作为活性先导化合物以及生物学探针奠定理论基础。

项目背景. 多重耐药是指在化疗过程中，肿瘤细胞对多种不同结构和作用机制的抗肿瘤药物产生耐药的现象，如何克服多重耐药是肿瘤治疗中的重大难题。天然产物拥有复杂的3维结构和多个手性中心，占据独特的化学空间，因此是药物发现的重要来源。通过对本课题组保存的天然产物进行筛选，我们发现环酯肽类天然产物verucopeptin对长春新碱诱导的多重耐药细胞系SGC7901/VCR的半致死浓度为1.4 μM，其对阿霉素诱导的多重耐药细胞系K562R半致死浓度仅为0.33 μM。这表明verucopeptin对肿瘤细胞尤其是多重耐药肿瘤细胞具有优异的活性。在此基础上，我们决定深入研究verucopeptin的抗肿瘤机制，并对其进行化学改造，促进活性药物先导分子发现。..主要研究内容.1，.我们通过高通量成像靶点分析和基于点击化学的化学蛋白质组学，揭示了verucopeptin的作用靶点和抗肿瘤机制。.2，.构建SGC7901/VCR的裸鼠移植瘤模型验证了verucopeptin的体内药效。.3，.通过合成生物学及一步半合成的方式对verucopeptin衍生化，实现了其化学结构和生物学功能的多样化。.重要结果.1，.阐明verucopeptin的直接作用靶点是v-ATPase复合体V1G亚基，揭示了两者作用的关键位点（Leu99，Cys104），并且证明verucopeptin通过作用于V1G亚基诱导肿瘤细胞死亡以及下调mTORC1信号。验证了verucopeptin可以在动物水平抑制多重耐药肿瘤的进展，相关成果已发表。Cell Chem Biol 2020, 27, 1359-1370 e8..2，.通过合成生物学及一步半合成的方式得到17个verucopeptin衍生物，实现了其生物学功能的多样化，得到AMPK激动剂VE-5,抗菌化合物VE-11, NFκB 抑制剂VE-2。相关成果已发表。Org Lett 2020, 22, 4366-4371..关键数据及其科学意义.Verucopeptin在低浓度时同时抑制v-ATPase和mTORC1的活力，并诱导多重耐药肿瘤细胞死亡。表明靶向V1G或许可以高效调节v-ATPase和mTORC1的活力，verucopeptin有望成为研究v-ATPase调控mTORC1精细机制的工具分子和治疗多重耐药肿瘤的先导化合物。