基于表观遗传的新型BRD4(BD1)高选择性抑制剂的设计、合成与生物活性研究

Bromodomains (BRDs) can specifically identify acetyl-lysine residues through protein-protein interactions. BRDs are present in diverse proteins that play key roles in chromatin organization and regulation of gene transcription. BET Bromodomain(bromodomain and extra C-terminal domain) has become a novel epigenetic target which may have great therapeutic potential for cancers. The discovery of selective BRDs inhibitors is an intensively studied and very challenging field. In our preliminary study, 1-21, a potent BRD4 (BD1) inhibitor [BRD4 (BD1) IC50 = 34 nM，BRD4 (BD2) IC50 = 2310 nM] with exquisite selectivity based on the novel scaffold of pyrrolo[4,3,2-de]quinolin-2(1H)-one was obtained. The molecule 1-21 exhibits potent antitumor activity in vitro with IC50 values ranging from 0.16 μM to 0.99 μM against four cancer cells. On the basis of the previous work, this project aims to optimize the lead compound 1-21 and further improve the activity by combining rational drug design and medicinal chemistry. Overall, this project will provide a solid foundation for developing novel antitumor drug candidates of independent intellectual property rights.

Bromodomains（BRDs）通过蛋白-蛋白的相互作用可特异性地识别乙酰化赖氨酸残基。BRDs存在于不同的蛋白质中，对染色质组织和基因转录调控起着关键的作用，已成为对肿瘤具有潜在治疗作用的表观遗传新靶点。而同一蛋白中不同BRDs（如BRD4蛋白中包含有BD1和BD2两个BRDs）选择性抑制剂的发现更是当前研究的主要难点和关注点。在前期研究中，我们获得了具有全新吡咯酮并喹啉骨架结构的高活性、高选择性的BRD4(BD1)的抑制剂1-21[BRD4 (BD1) IC50=34nM，BRD4 (BD2) IC50=2310nM]，其体外对四种肿瘤细胞抑制活性良好（IC50=0.16~0.99μM）。本项目拟在此基础上，以1-21为先导化合物，结合合理药物设计和类药性早期预测，对其进行结构修饰，并进行生物活性评价，为最终获得具有自主知识产权的抗肿瘤新药打下坚实的基础。

选择性BET家族（包括四个亚型BRD2/3/4/T）不同Bromdomain（两个Bromodomain结构域分别为BD1和BD2）的抑制剂已成为当前研究热点，参与调节关键癌基因、抗凋亡蛋白、促炎蛋白和免疫蛋白的表达，与多种疾病的发生和病理进程密切相关。我们通过X-ray晶体学获得了3个化合物与BRD4 BD1的晶体复合物，并研究分析了其与BD1 和BD2选择性的分子机制，其中化合物ⅠⅠ-50和Ⅰ-42表现出对BRD4 BD1突出的活性和选择性，其IC50分别为54.8 nM和87.7 nM，选择性分别高达857倍和138倍，是目前为止首次报道的选择性结合BRD4 BD1较BRD4 BD2活性超过100倍的BET抑制剂。体外细胞水平抗炎活性筛选评价表明，化合物Ⅰ-42具有突出抑制RAW264.7一氧化氮(NO)生成活性和抑制HUVEC中NF-κB转录活性。进一步的抗炎机制研究表明，化合物Ⅰ-42改善MSU诱导的急性痛风性关节炎，同时通过调节BRD4/NF-κB/NLRP3信号通路抑制大鼠滑膜组织中巨噬细胞的焦磷酸化，与体外结果一致。本研究阐述了选择性BET BD1抑制剂的分子机制，为开发选择性抑制剂提供思路，为治疗痛风关节炎症提供了新的研究方向。. Ⅳ系列化合物具有优异抗肿瘤增殖活性。其中化合物Ⅳ-29对BRD4 BD2蛋白活性达个位数纳摩尔和近30倍选择性，具有突出的细胞活性，对MV4-11的IC50为69 nM，且水溶性和体外代谢稳定性较好。初步的小鼠体内药效评价表明，化合物Ⅳ-29 20 mg/kg与阳性药OTX-015 40 mg/kg抑瘤率相当，且安全性较好。为开发选择性BD2抑制剂提供思路，高选择性和高活性BD2抑制剂可作为化学探针用于研究生物机制，同时也可作为非常有前景的临床前候选化合物用于肿瘤治疗。. 综上所述，本项目采用“理论计算-蛋白晶体研究-化学合成-生物活性评价”的研究模式，理论与实验相结合，最终成功的发现了两类选择BD1和BD2抑制剂，其代表性化合物具有高选择性和高活性，并且在不同疾病动物模型体内表现出良好的药效，该类化合物具有完全自主知识产权，有望成为治疗白血病和急性痛风关节性炎症的临床候选化合物。