Hsp90与辅助伴侣分子Cdc37相互作用过程的调控、调控剂的设计及生物机制研究

In this application, our aim is to solve two basic problems in the mechanism study of Hsp90-Cdc37 protein-protein interaction and the modulator design: 1) the elucidation of the molecular recognition between the two proteins; 2) the design of modulators with high binding affinity. By combination of medicinal chemistry, structure biology, molecular informatics, computer aided drug design, we will finish the work listed below: 1) describe the key event in the interaction mode of Hsp90-Cdc37 in the molecular level and confirm the binding hotspots of the two proteins; 2) the discovery and optimization of peptides with high affinity to the PPI; 3)we will separate the binding groove of Hsp90-Cdc37 based on the characteristics of hotspots and find active fragment to realize the chemical space of hotspots, followed by a combination of the fragments guided by the structure of PPI. Through this application, we will finish the transition of the scaffold of the modulators from peptide to non-peptide, and achieve novel compounds with good binding affinity, selectivity targeting Hsp90-Cdc37 interaction.

本项目针对Hsp90-Cdc37相互作用的两个核心问题开展研究：1）准确解析二者相互作用的分子机制，建立表征模型；2）设计并获得能够高效干扰其相互作用的短肽及小分子调控剂。在前期研究基础和已有平台的支撑下，综合运用药物化学、结构生物学、信息学、计算机辅助药物设计学等多种技术手段，完成如下工作：1）从分子层面上挖掘Hsp90-Cdc37在动态相互作用过程中的关键分子事件及结合热区，解析其结构及空间特征；2）发现高亲和力的短肽并通过合成方法学进行构象及理化性质优化；3）将Hsp90-Cdc37结合热区进行区域化分割，针对每个区域获得高配体效率的片段，以优化短肽为模板，以采用基于分子片段的设计策略进行骨架重组，获得高亲和小分子调控剂，完成分子由肽向非肽的过渡，最终获得具有良好类药性的Hsp90-Cdc37特异性调控剂。

本项目研究过程中整合了多学科的技术优势，灵活运用计算化学、结构生物学、药物化学和化学生物学方法，深入研究了Hsp90-Cdc37蛋白-蛋白相互作用过程中的动态结合模式和小分子结合位点，阐明了“非经典”蛋白-蛋白相互作用过程的研究方法，为靶向分子伴侣系统间蛋白-蛋白相互作用过程的小分子调控剂的研究提供了新策略和新思路。在本项目中，我们成功建立了（1）“非经典”蛋白-蛋白相互作用的动态识别机制，关键识别位点的发现与确证方法；（2）基于结合面能量高贡献结构域合理设计内源性多肽的新策略；（3）基于关键氢键识别位点的小分子调控剂筛选新方法。我们针对Hsp90-Cdc37蛋白-蛋白相互作用过程开展了动态模拟和结合域能量分解，通过蛋白定点突变首次发现了Hsp90-Cdc37相互作用过程中的关键氢键作用网络，为小分子调控剂的筛选提供了可靠的结合位点。根据Hsp90-Cdc37相互作用类型，我们建立了体外高通量筛选方法，设计了一套完整的靶向于Hsp90-Cdc37关键结合域的小分子筛选策略，得到了第一个具有明确结合位点的特异性小分子调控剂DDO-5936。这类抑制剂可以在有效干扰Hsp90-Cdc37蛋白-蛋白相互作用、选择性下调Hsp90的激酶类客户蛋白的同时，不影响Hsp90的ATPase功能，从根源上避免了Hsp90 ATP抑制剂所引起的热休克反应。同时，我们对此类抑制剂的进一步优化深入地探索了Hsp90-Cdc37相互作用的化学空间，并证实了其在体内结肠癌模型中的治疗学应用。通过本项目所构建的新方法，我们成功地探索了“非经典”蛋白-蛋白相互作用的调控剂研究方法，不仅首次获得了特异性小分子调控剂，同时也证明了选择性调控Hsp90-Cdc37蛋白-蛋白相互作用是靶向于分子伴侣的药物研发新思路。