作用于磷酸甘油酸变位酶1变构位点的抑制剂设计、合成及生物活性测定

We found that glycolytic enzyme phosphoglycerate mutase 1 (PGAM1) was an important anti-cancer target(Cancer cell,2012). Small molecule inhibitors targeting PGAM1 are thought to be promising anti-cancer drug candidates. We have solved the crystal structure of active state PGAM1 (Nat. Commun.,2013). High throughput screening against PGAM1 was performed to achieve a lead compound Alizarin Red S.Co-crystal structure of PGAM1 and lead compound reveals a novel allosteric site. Based on the present results, we plan to design inhibitors with various scaffolds through multiple drug design strategy. Anthraquinone, xanthone and thioxanthone derivatives will be synthesized and optimized with the aid of complex structure by structural biology. The bioacitivity of target molecules will be measured by enzymatic and cell based assay. The best compounds will be further tested in animal model. We hope that we can find potent and specific PGAM1 small molecule inhibitors which could not only be anti-tumor drug candidates, but also be chemical tools to study regulation mechanism of cancer metabolic pathway.

我们前期研究发现，糖酵解通路磷酸甘油酸变位酶1（PGAM1）是重要的抗肿瘤靶标（Cancer Cell,2012）。PGAM1的小分子抑制剂有可能成为治疗癌症的候选药物。我们针对靶标酶PGAM1，解析了其活性构象的晶体结构（Nat.Communs.,2013）；采用酶联法进行高通量筛选得到蒽醌类先导化合物茜素红，并解析了蛋白质与先导化合物的共晶结构，发现其作用于全新的变构位点。在此基础上，我们设计含有三并环骨架的小分子，主要围绕蒽醌、呫吨酮和噻吨酮为母核结构展开化学合成工作，通过结构生物学手段解析复合物晶体结构来指导小分子结构的优化，测试化合物在酶及细胞水平的活性，并选取活性高、类药性好的化合物进行后续的动物水平抗肿瘤研究。本研究有望得到PGAM1特异性高效小分子抑制剂，不仅可以作为治疗癌症的候选药物，也可以作为小分子探针研究肿瘤代谢网络机制。

我们前期研究发现，糖酵解通路中的重要靶标酶磷酸甘油酸变位酶1（PGAM1）是一个潜在的抗肿瘤靶点，抑制该酶能够改变肿瘤细胞代谢通路，从而抑制肿瘤生长。本项目首先通过动力学模拟手段研究了PGAM1的C端loop区结构，发现了其构象变化与底物结合以及催化活性之间的关系，能够调控酶的活性口袋开关及辅因子2,3-BPG的结合，从而调控酶的活性。接着，本课题开展针对PGAM1的小分子抑制剂研究，从先导化合物PGMI-004A出发，合成了一系列蒽醌及呫吨酮类衍生物，通过共晶结构解析了化合物的作用机制，细胞水平的代谢流分析验证了该类化合物通过抑制PGAM1的活性改变了上下游底物和产物的浓度从而引起肿瘤细胞的代谢通路改变。对合成的化合物进行酶活及细胞水平抗肿瘤活性筛选，其中最好的化合物酶及细胞水平活性分别达到97 nM和0.25μM，在多种细胞株及动物水平测定了其抗肿瘤药效，发现其对胰腺癌及厄洛替尼耐药的非小细胞肺癌均有显著的疗效。本项目设计合成两类母核的新化合物共150余个，通过蛋白质共晶研究揭示了化合物与PGAM1的作用机理，完成了体外及细胞、动物水平活性测试，为后续的药物研发提供了优良的先导化合物。