新型多片段同时对接法（MLSD）发现调控STAT3“蛋白-蛋白”相互作用的抗肿瘤抑制剂

Constitutive activation of signal transducer and activator of transcription 3 (STAT3) is frequently detected in cancer, which is an important target for anti-tumor therapy. STAT3 SH2 domain binding to the phosphorylated tyrosine705 (pTyr705) loop of STAT3, leading to STAT3 homodimerization. The dimerized STAT3 then translocates into the nucleus and binds to DNA, turning on a host of oncogenes. Altogether, these events lead to cell proliferation, apoptosis resistance, etc. Inhibitors competing with the native phosphotyrosine (pTyr705) loop by binding to the “hot spots” of STAT3 SH2 domain can disrupt the “Protein-Protein” interactions of STAT3, representing a potential anti-cancer therapeutic approach. One big challenge in drug design is how to improve the ligand efficiency of the PPI inhibitors. Our proposal will firstly modify the Multiple Ligand Simultaneous Docking (MLSD) method in many aspects, which can efficiently screen out druggable “hits” with high ligand efficiency, presenting synergy of fragments. For this purpose, new fragment library and linker library will be deconstructed from the FDA approved drugs. Then the novel MLSD method will be applied to design STAT3 inhibitors. By the aid of MLSD method, fragments binding to either two sites or three sites of STAT3 SH2 domain will be linked by rational linker design to form dual-functional STAT3 inhibitors in order to block both phosphorylation and dimerization processes. This proposal will also apply either Microscale thermophoresis (MST) method or Fluorescence Polarization (FP) method to measure the Ki value between inhibitor and STAT3 protein. Selected inhibitors will be performed both in vivo and in vitro anticancer tests and mechanism studies. One or more hits are anticipated to be processed into the clinical trials as broad spectrum anticancer drugs.

STAT3蛋白是重要的抗肿瘤靶点，其持续性激活存在于多种人类癌症中。STAT3蛋白的酪氨酸被磷酸化后活化，与另一分子STAT3的SH2区交叉结合形成二聚体后启动癌基因的转录和翻译，最终导致肿瘤。抑制SH2区的“结合热点”可有效干扰STAT3“蛋白-蛋白”相互作用(PPI),治疗癌症。提高PPI抑制剂的配体效率是药物设计的一大难点，本项目首次优化了多片段同时对接的MLSD法，构建了由已上市药物分解得的片段库和连接臂库，能有效地筛选出既保持高配体效率又产生片段协同作用且成药性高的先导物。应用新型MLSD法从片段库中筛选结合于SH2区两或三个“热点”的片段组，合理选择连接臂获得抑制STAT3活化和二聚化的小分子抑制剂。运用微量热泳动法或荧光极化法测定抑制剂与STAT3蛋白的结合常数，验证设计方法的准确性；运用体外/内模型研究抑制剂的抗肿瘤活性和机制，期望发现一种广谱的抗肿瘤候选药物进入临床研究。

信号转导和转录激活因子3（Signal Transducer and Activator of Transcription 3，STAT3）是既具信号传导功能又有转录活化功能的胞浆蛋白[1]，在人类多种癌症中起着至关重要的调控作用，如实体瘤，血癌和淋巴瘤等[2]。美国国家癌症研究所（NCI）列出了STAT3持续性激活导致的9大类癌症，包括白血病、非小细胞性肺癌、结肠癌、头颈癌、恶性黑色素瘤、卵巢癌、前列腺癌、肾癌、乳腺癌。STAT3蛋白已成为重要的抗肿瘤药物靶点。STAT3抑制剂可能的“一药多治”的实用价值和经济效益成为了多个顶级研究机构和Novartis等国际知名药厂争相投入研究力量的具大推动力。迄今为止，经由美国FDA审批进入临床试验的共有11项STAT3抑制剂，但尚没有被批准上市的STAT3抑制剂药物。因此，进一步设计和发现能与STAT3蛋白紧密结合的小分子抑制剂，进而开发出新型的抗肿瘤药物尤为必要。..本研究综合利用了计算机辅助药物设计的新方法、有机合成技术、生物物理学方法、细胞与分子生物学方法、药理学实验等技术手段，围绕STAT3蛋白的不同激活途径，分别抑制了STAT3蛋白的磷酸化、乙酰化、二聚化的形成，发现了多个系列的新型的STAT3小分子抑制剂，以化合物LY-17，BTP衍生物和咖啡酸-白藜芦醇杂合衍生物为代表。在蛋白水平，评价了直接作用于STAT3靶标的小分子化合物；在细胞水平，研究了化合物的活性、作用机制等；在动物水平，测试了化合物的体内药效、安全性以及可能的成药性。本研究的成功完成为今后研究基于STAT3靶点的抗肿瘤药物提供了重要借鉴。..靶向抗肿瘤药物具有作用机制明确、药物副作用小等特点，是抗肿瘤药物研发的重点方向。本研究发现的基于STAT3蛋白的小分子抑制剂有望治疗多种癌症，具有极大的市场前景。我们将在本研究的基础上进一步开展：(1) 化合物的安全性评价；(2) 化合物合成的小试、中试条件摸索；(3) 化合物的药代动力学实验，以期发现成药性好的新颖的抗肿瘤药物。