三环苯甲酸FTO抑制剂构效关系研究

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

N⁶-甲基腺嘌呤（m⁶A）是真核生物mRNA上最为广泛的修饰，在调控mRNA的代谢和命运中发挥重要作用，是“表观转录”修饰研究的核心内容，在转录后水平上参与基因表达调控。m⁶A的动态调节由甲基转移酶复合体（METTL3/14/WTAP）、去甲基化酶（FTO和ALKBH5）及甲基识别蛋白（YTH家族蛋白）共同完成。m⁶A修饰及其修饰酶功能紊乱导致诸多疾病的发生，例如肿瘤。目前以m⁶A为核心研究内容的“表观转录”在基础生物学、临床医学等领域形成了活跃的研究前沿，为靶向“表观转录”修饰抗肿瘤提供了原创新药发现的新机遇和基础。

化学干预“表观遗传”修饰，调控基因表达是小分子抗肿瘤新药发现的活跃前沿之一，目前已经有数个靶向DNA甲基化酶或组蛋白修饰酶的新药获批应用于临床治疗癌症。然而作为“表观修饰”的核心组成内容，靶向m⁶A“表观转录”修饰的抗肿瘤新药发现尚处于早期阶段，目前还没有候选药物开展临床研究阶段。

图1. 课题组报道的FTO抑制剂 (Zhou, L.-L., et. al., RSC Chem. Biol. 2021, 2, 1352)

上海药物研究所杨财广（点击查看介绍）课题组开展国内外的合作研究，在RNA去甲基酶FTO小分子抑制剂的研究方向上处于先进水平。2012年报道了首例FTO抑制剂大黄酸（Rhein）；2015年筛选发现甲氯芬那酸（MA）选择性抑制FTO，而不抑制ALKBH5；2019年报导MA的衍生物FB23-2干预FTO的去甲基功能，调控基因表达，在急性髓性白血病（AML）小鼠模型上显著延长存活率，概念验证了靶向FTO抗AML的可行性；2021年发现FTO抑制剂Dac51能够调节免疫逃逸，低剂量的Dac51与PD-L1单抗联用可达到免疫系统依赖的抗小鼠实体瘤效果。FB23-2和Dac51是含有羟肟酸结构的MA衍生物，三环苯甲酸类FTO抑制剂的构效关系研究将揭示理化性质更全面的先导化合物，提高该类化合物的成药性研究。因此，该课题组持续关注该类骨架的FTO抑制剂，通过结构修饰优化生物学活性，同时兼顾成药性验证。

图2. 三环苯甲酸FTO抑制剂的设计思路 (Liu, Z., et. al., J. Med. Chem. 2022)

该课题组继续以MA为化学起点，采用结构导向的合理药物设计，扩大化合物空间，从A、B、C三个环分别考察了构效关系，从34个三环苯甲酸类衍生物中获得化合物13a。与FB23和FB23-2不同，13a同时具有优秀的酶学抑制活性（0.7 μM）和AML细胞增殖抑制活性（对NB4和MONOMAC6的IC₅₀分别为2.1 μM和1.9 μM）。与FB23相比，13a表现出极大改善的细胞增殖抑制活性，与FB23-2相当（对NB4和MONOMAC6的IC₅₀分别为0.8 μM和1.5 μM）；同时，与FB23-2相比，13a又表现出抑制FTO酶活的活性，与FB23相当（0.7 μM 和 0.4 μM）。此外，13a能够浓度依赖性地抑制NB4细胞的克隆形成。

图3. 13a的结构和白血病细胞增殖抑制活性 (Liu, Z., et. al., J. Med. Chem. 2022)

进一步，他们从机制上验证了化合物13a通过抑制胞内FTO实现抗AML细胞增殖的效果。首先，胞内热稳定迁移实验（CETSA）证明了化合物13a在AML细胞MONOMAC6中结合靶标蛋白质FTO。其次，RNA斑点印迹杂交实验（Dot blot）表明化合物13a浓度依赖性地改变胞内总RNA和mRNA的甲基化修饰水平。最后，在信号通路上验证了13a在转录水平上上调ASB2和RARA，下调MYC，在蛋白质水平上上调ASB2、RARA，并下调MYC的蛋白水平。这些结果展示了FTO抑制剂13a抗AML细胞增殖的靶标相关性。

图4. 13a在白血病细胞上的信号通路研究 (Liu, Z., et. al., J. Med. Chem. 2022)

最后，体内药效学实验证明，13a在小鼠模型上能够显著增加白血病小鼠的存活率，并在给药剂量下没有表现出毒副作用。综上研究表明，13a可作为靶向FTO抗白血病的新的先导化合物。

图5. 化合物13a的动物药效学研究 (Liu, Z., et. al., J. Med. Chem. 2022)

这一成果近期发表在药物化学杂志Journal of Medicinal Chemistry 上，文章的第一作者是上海药物研究所研究生刘泽瑜、南京中医药大学研究生段宗良和国科大杭州高等研究院研究生张德言，通讯作者为上海药物研究所黄悦副研究员、董泽副研究员和杨财广研究员。

这一研究获得了国家自然科学基金、中科院“青促会”、国家蛋白质科学研究（北京）北大分中心开放课题等资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Structure–Activity Relationships and Antileukemia Effects of the Tricyclic Benzoic Acid FTO Inhibitors

Zeyu Liu, Zongliang Duan, Deyan Zhang, Pan Xiao, Tao Zhang, Hongjiao Xu, Chuan-Hui Wang, Guo-Wu Rao, Jianhua Gan, Yue Huang*, Cai-Guang Yang*, and Ze Dong* 

J. Med. Chem., 2022, DOI: 10.1021/acs.jmedchem.2c00848

黄悦博士简介

中科院上海药物研究所副研究员，2012年毕业于南京师范大学，获理学学士学位；2017年在上海药物研究所获得博士学位，同年加入上海药物研究所进行博士后研究，聚焦于靶向RNA去甲基化修饰酶的抗肿瘤机制。2019年至今，在上海药物研究所担任助理研究员、副研究员，国科大杭州高等研究院双聘副研究员，2020年入选中科院“青促会”。研究兴趣聚焦于RNA甲基化修饰的化学干预，深入推动靶向“表观转录”抗肿瘤的机制研究。相关研究工作发表于Cancer Cell、JACS、Nucleic Acids Research、JMC等杂志，并参与申请发明专利8件，其中部分专利已获得海外授权。

董泽博士简介

中科院上海药物研究所副研究员，2008年毕业于武汉理工大学应用化学系，获理学学士学位；2015年在武汉大学药学院，获得博士学位；2016年加入上海药物研究所进行博士后研究，聚焦于靶向RNA去甲基化修饰酶的化学探针和药物化学研究。2018年至今，在上海药物研究所担任助理研究员、副研究员，2021年入选中科院“青促会”。继续关注RNA甲基化修饰的化学干预研究，深入推动“表观转录”领域的候选原创新药开发。目前相关研究工作发表于Cancer Cell、Cell Metabolism、JMC等杂志，并参与申请发明专利6件，其中部分专利已获得海外授权。

https://www.x-mol.com/university/faculty/22889 

科研思路分析

Q：你们的研究方向是靶向“表观转录”抗白血病，那么这个领域的研究现状如何？

A：“表观转录”以RNA甲基化修饰为主要研究内容，其中m⁶A修饰研究在化学生物学、基础医学和肿瘤生物学等多学科的研究已经形成了活跃前沿新方向，这为靶向m⁶A修饰抗肿瘤新药发现奠定了基础。相比于DNA和组蛋白的“表观遗传”方向，m⁶A修饰的化学干预研究处于滞后状态，仅有少数的m6A修饰的甲基化酶METTL3抑制剂、去甲基化酶FTO和ALKBH5抑制剂被报道应用于抗白血病的研究，处于临床前研究。到目前为止，还没有靶向RNA甲基化修饰的小分子进入临床研究。

Q：本项目研究中有哪些挑战？

A：前期研究中，我们验证了小分子靶向FTO抗白血病的概念可行性，本项目是前期FTO化学探针FB23-2抗白血病研究的持续深入和构效关系总结。我们在前期研究中发现，FB23能够抑制FTO的酶学活性，但是细胞活性不理想；FB23-2表现出好的细胞增殖抑制活性，酶学活性不佳。此外，FB23-2结构中羟肟酸官能团在体内稳定性可能不佳，容易水解。因此，本项目继续以MA为化学起点，利用基于结构的合理药物设计策略进行结构修饰，发现生物活性高、稳定性好、安全性好、理化性质优秀的靶向FTO抗AML的先导化合物。虽然我们目前已经积累了千逾个该系列的FTO小分子抑制剂，基于FTO/小分子识别机制，全面开展高效的药物化学设计与合成仍然是目前的重要挑战。