发展靶向ATG5-ATG16蛋白-蛋白相互作用的自吞噬抑制剂

Autophagy is a highly conserved process in which damaged proteins and organelles are sequestered in autophagosomes and delivered to lysosomes for degradation and recycling. Basic research reveals that autophagy is a molecular mechanism in tumor cells in response to cellular stress, which helps tumor cells survive the apoptosis induced by chemotherapies. Consequently, autophagy inhibitors may be used to enhance the anti-tumor potency of conventional chemotherapies. ATG5-ATG16 conjugation is a key step for autophagosome formation. On this project, we propose that small-molecule compounds targeting ATG5 can be developed into effective autophagy inhibitors. We will choose ATG5 as the molecular target to optimize three classes of lead compounds discovered in our preliminary work through a combination of molecular design, organic synthesis, structural determination and biological assays. Our aim is to improve the biological potency as well as the bioavailability of these compounds and to investigate their effects on autophagy on living cells. No small-molecule inhibitors of ATG5 have been publicly revealed so far. Our results will explore the molecular mechanism of ATG5 inhibitors in autophagy and their potential therapeutic applications.

自吞噬是一种进化上高度保守的细胞内降解机制。自吞噬有利于肿瘤细胞适应缺血缺氧导致的代谢压力，还可以清除化疗引起的细胞器损伤，从而使肿瘤细胞耐受化疗，免于凋亡。自吞噬抑制剂因此可以增强传统化疗药物的抗肿瘤效果。ATG5-ATG16蛋白-蛋白相互作用是自吞噬溶酶体形成过程中的关键步骤之一。靶向ATG5蛋白的小分子化合物可能发展成为高效的自吞噬抑制剂。我们将选择ATG5蛋白作为分子靶标，以前期工作中发现的三类活性化合物作为先导化合物，综合运用靶向药物分子设计、有机合成、生物大分子结构测定、生物活性表征等手段优化先导化合物的结构，提高其生物活性和生物利用度，并在相关细胞模型上研究活性化合物对自吞噬的影响以及作用机理。目前国内外尚没有公开报道的靶向ATG5蛋白的自吞噬抑制剂，希望本课题的研究成果可以填补这一空白，探索ATG5蛋白作为潜在抗肿瘤药物靶标的可能性。

本项目规划的核心研究目标为：以在自吞噬小体成型过程中起关键作用的ATG5蛋白为分子靶标，发展可以有效阻断ATG5-ATG16蛋白-蛋白相互作用的有机小分子化合物，这样的化合物有望成为一类全新作用机制的自吞噬抑制剂，有可能增强传统化疗药物的抗肿瘤效果。目前国内外尚没有公开报道的靶向ATG5蛋白的自吞噬抑制剂。我们采用分子模拟技术研究了ATG5蛋白参与的蛋白-蛋白相互作用界面上关键残基的贡献，基于ATG16蛋白序列设计并合成了80余种多肽分子，从中发现了若干种亲合性和物理性质超过野生序列多肽的分子，结合活性有10倍以上的提高。经过摸索，我们建立了可靠的表达ATG5蛋白的技术路线以及基于HTRF技术的体外亲合性筛选方法。在本项目执行初期，我们对文献报道具有自噬抑制作用的黄芩苷和卡马拉素两类天然产物进行了全合成以及生物活性研究。同时，我们采用基于靶标结构的虚拟筛选技术，先后筛选了数个大型商业化合物数据库，最终挑选了400余个化合物并购买了样品。所有化合物分别在ATG5-ATG16和ATG5-TECAIR两种复合物体系上进行测试，鉴定出了一批具有抑制活性的苗头化合物，其中活性最好的一类化合物TS-13的半数抑制浓度约1 uM。我们以TS-13为先导化合物，在分子设计的指导下进行结构优化改造，成功打通了合成路线，目前已经合成了约20种新化合物，获得了初步的结构-活性关系。后续工作中将进一步进行该类化合物的结构改造以及各项生物学研究，努力获得一类靶向ATG5蛋白的自吞噬高效抑制剂，同时探索ATG5蛋白作为抗肿瘤药物潜在靶点的可行性。