靶向Hsp90中间结构域的新型抗肿瘤抑制剂发现及其效应机制研究

Molecular chaperone Hsp90 is an established target for anti-cancer drug development. Up to date, a total number of 17 ATP-competitive inhibitors targeting the ATP-binding pocket of Hsp90 have progressed into the different phases of clinical trial. However, none of them has been officially approved for cancer therapy, and the significant side effects of these inhibitors are one of the major causes. Hsp90 belongs to the GHL-ATPase subfamily, and the ATP-competitive inhibitors of Hsp90 will definitely affect the function display of the other GHL-ATPase subfamily members. We then hypothesize that the allosteric and/or protein-protein interaction inhibitors, which targeting the middle domain of Hsp90, might potentially inhibit the development of cancer with lesser side effects. Due to the distinct structure and function features of the middle domain of Hsp90, no non-covalent inhibitor targeting this domain has been reported yet. Therefore, here in this project, we will develop Hsp90 middle domain-targeted anti-cancer inhibitors by a combination use of experimental screening and structure-based medicinal chemistry optimization. And in the following studies we will elucidate the working mechanisms of these inhibitors and explore the structural features of the Hsp90 middle domain associated with its different functional states by using the inhibitors as probes. The findings through conducting this project will provide important information for assessing the druggability of the Hsp90 middle domain, and also the novel type of anti-cancer drug leads with lesser side effects.

分子伴侣Hsp90是抗肿瘤药物研发的靶点，现已有17个靶向Hsp90 N端ATP结合口袋的抑制剂进入临床实验阶段。然而，尚未有相关药物获批上市，毒副作用是导致这种结果的重要原因。由于这些ATP结合抑制剂同样会对Hsp90同家族（GHL-ATPases）的其他成员产生作用，从而在抑制肿瘤的同时产生较大的毒副作用。开发靶向Hsp90中间结构域的变构和/或蛋白-蛋白相互作用抑制剂有望实现在抑制肿瘤的同时减少毒副作用的产生。然而，目前尚无中间结构域非共价抑制剂被发现。在本项目工作中，我们拟通过实验筛选和基于结构的药物化学改造获得靶向Hsp90中间结构域的新型抗肿瘤抑制剂，并在解析抑制剂作用机制的同时兼顾探索Hsp90中间结构域的结构和功能特征。项目的研究成果将为明确Hsp90中间结构域是否可以做为抗肿瘤药物研发的靶点提供信息，并为开发毒副作用小的靶向Hsp90的抗肿瘤候选药物提供新型的先导化合物。

Hsp90是分子伴侣蛋白家族的重要成员之一。通过调控客户蛋白质的稳态平衡，Hsp90在信号转导、DNA转录调控、细胞周期调控等生理活动中发挥重要作用。Hsp90的客户蛋白质中包含有多种癌蛋白和肿瘤抑制因子，应激上调表达的Hsp90α（分布于细胞质中的人源Hsp90亚型之一）通过调控这些癌蛋白和肿瘤抑制因子的稳态平衡而在多个途径、多个环节影响肿瘤的发生和发展进程，Hsp90α是一个抗肿瘤药物研发的靶标蛋白质。目前靶向Hsp90的抑制剂开发已有较多工作积累，其中ATP竞争性结合抑制剂是以Hsp90为靶点的抗肿瘤药物研发的主攻方向，迄今已有20余个靶向Hsp90 N端ATP结合/催化口袋的抑制剂进入临床实验阶段，然而尚未有相关药物成功获批上市，ATP结合抑制剂引发的热休克反应和未达理想的药效是导致这一结果的重要原因。基于此，我们尝试开发靶向Hsp90α中间结构域的变构调节剂，期望在实现抑制肿瘤进程的同时规避相关毒副作用的产生。在项目研究开展过程中，我们通过使用基于片段的活性化合物发现方法获得了与Hsp90α中间结构域之间存在特异性相互作用的变构调节剂2个：SOMCL-16-171和SOMCL-16-175；随后使用NMR、ITC、热迁移实验等技术手段对SOMCL-16-171、SOMCL-16-175与Hsp90α中间结构域之间的结合强度和结合模式进行了表征，揭示了它们对Hsp90α的变构调节作用；同时通过开展 [1H, 15N] HSQC滴定实验、分子对接实验和突变实验阐明了Hsp90α中间结构域和SOMCL-16-175之间的互作模式，首次发现并定义了Hsp90α中间结构域的变构调节剂识别口袋；最后，通过开展细胞水平的热迁移实验、蛋白质组学分析、细胞增殖抑制实验、克隆形成实验以及免疫印迹实验等揭示了SOMCL-16-171和SOMCL-16-175能够在细胞环境下与Hsp90发生相互作用，并在没有引起热休克反应的同时导致多个Hsp90客户蛋白质的细胞内水平下降，引起乳腺癌细胞增殖抑制。我们所获得的数据成果提示Hsp90α中间结构域具有成为抗肿瘤药物研发靶标的潜力。