金坚团队/王刚团队合作报道首例靶向NSD2的PROTAC分子

NSD2是组蛋白赖氨酸甲基转移酶，属于核受体结合SET域蛋白（Nuclear Receptor Binding SET Domain）家族的一员，该家族还包含了NSD1和NSD3。NSD2可以催化Histone H3 lysine 36（H3K36）的单甲基化和双甲基化反应。据报道，在多发性骨髓瘤（multiple myeloma，MM）中，经常可以检测到NSD2的过表达。除此之外，NSD2还在多种癌症中存在异常表达、突变。

除了一个保守的催化结构域，NSD2还有多个蛋白-蛋白相互作用的结构域（例如PHD结构域和PWWP结构域）。越来越多的研究显示，这些蛋白-蛋白相互作用结构域对于NSD2发挥蛋白功能至关重要，但是其具体的机理还有待进一步探究。鉴于该蛋白在癌症与生物学中的意义，有越来越多的研究人员致力于开发靶向NSD2蛋白的小分子。

蛋白质水解靶向嵌合体（PROTAC）技术如今正受到药物研发领域的极大关注。西奈山伊坎医学院金坚（Dr. Jian Jin）教授课题组长期致力于开发新型PROTAC技术。近日，金坚教授团队和北卡罗莱纳大学教堂山分校王刚（Dr. G. Greg Wang）团队合作在Journal of Medicinal Chemistry 杂志上发表研究论文，利用前人报道的选择性靶向NSD2-PWWP1结构域的探针分子，将其通过合适的链与E3连接酶的配体连接，得到了首例能够选择性降解NSD2的PROTAC分子MS159。此外，MS159还可以降解造血转录因子IKZF1/3，对GSPT1不起作用。

图1. 本项研究中构建的靶向NSD2的PROTAC分子

探针UNC6934是近期报道的能够选择性靶向NSD2-PWWP1结构域，并能进一步通过扰乱蛋白-蛋白相互作用阻止赖氨酸甲基化的小分子化合物。其和NSD2的共晶显示，UNC6934的苯并恶嗪酮结构伸向结合口袋内部，并与相邻的氨基酸残基形成关键的氢键作用；环丙基伸向一个正好可以将其紧紧容纳的疏水口袋；末端的嘧啶则延伸至溶剂区域。基于这一共晶结构以及其他课题组的研究成果，作者设计并合成了一系列可能的PROTAC分子。感兴趣的读者可以在论文中找到这些分子的具体合成方法。

图2. 对化合物1-11降解NSD2的能力进行考察

作者对这些分子在293FT细胞系中降解NSD2的能力进行考察，其结果如图2所示，化合物9（MS159）展现出了最好的NSD2降解能力。因此，选取了化合物9作为接下来研究和衍生化的重点。

图3. 化合物9及其ITC数据

化合物9的结构如图3所示。在本项研究中，通过ITC（isothermal titration calorimetry）实验来考察9和NSD2-PWWP1结构域的结合能力，并与探针分子UNC6934进行对比。从图中数据可以看到，9的K_d为1.1±0.4 μM，和UNC6934的K_d（0.5±0.3 μM）接近。这一结果，证实了对于连接位点选择的合理性。

接下来，继续在293FT细胞系中对化合物9进行了更详细完整的表征，结果如图4所示。9对NSD2的降解是剂量依赖的，48 h时即可观察到明显的降解，72 h时达到最大降解，D_max > 82%, DC₅₀ = 5.2±0.9 μM。对降解现象的机理进行研究，作者发现MG132（蛋白酶体抑制剂）、MLN4923（Nedd8激活酶的小分子抑制剂）、泊马度胺以及UNC6934都可以显著抑制9对NSD2的降解。这一结果说明，9介导的NSD2的降解依赖NSD2、CRBN和泛素-蛋白酶降解系统。作者还通过洗脱实验验证了9对NSD2的降解是可逆的。此外，体外酶活实验（涉及20个甲基转移酶）显示，在10 μM时，化合物9对甲基转移酶的活性没有明显影响；药代动力学实验显示，以50 mpk的剂量，通过IP途径给药时，9在小鼠体内有较好的生物利用度，8 h后，血浆中9的浓度仍然可以维持在相对可观的水平（0.98±0.04 μM）。

图4. 对化合物9（MS159）的研究

为了更好地对化合物9进行研究，作者还合成了两个阴性参照化合物，结构如图5所示。在化合物9的E3连接酶配体的二甲酰亚胺处引入甲基，得到了化合物17（MS159N1），17不能招募CRBN但是仍然可以和NSD2-PWWP1结构域结合；将9的环丙基改为异丙基获得化合物18（MS159N2），18可以招募CRBN但是不能结合NSD2-PWWP1。

图5. MS159对应的阴性参照物17/18及其ITC数据

接下来如图6所示，作者考察了化合物9/17/18和UNC6934在多发性骨髓瘤细胞KMS11和H929中的效果。Western Blot结果显示，17/18/UNC6934对细胞中NSD2水平没有影响，而9仍然表现了明显降解NSD2的能力。此外，作者还通过一系列实验发现，除了降解NSD2以外，9和18可以显著降解造血转录因子IKZF1，轻微降解IKZF3，对GSPT1不起作用，且这些降解作用是依赖于泛素-蛋白酶体系发生的。最后，细胞增殖实验的结果显示，9表现出最好的抑制细胞增殖的活性，17次之，18和UNC6934未能明显抑制细胞增殖。这一结果证明，9对肿瘤细胞的抑制活性来自其对NSD2和IKZF1/3的降解，且前者对活性的贡献更多。

图6. 化合物9/17/18/UNC6934在多发性骨髓瘤细胞中的表现

综上所述，作者报道了首例靶向NSD2的PROTAC分子MS159。该分子能够选择性降低细胞中NSD2以及IKZF1/3的水平，并表现出较好的对多发性骨髓瘤细胞的抑制活性。该份工作近期发表于Journal of Medicinal Chemistry 上，共同第一作者为孟繁烨博士和许晨曦博士。

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）：

Discovery of a First-in-Class Degrader for Nuclear Receptor Binding SET Domain Protein 2 (NSD2) and Ikaros/Aiolos

Fanye Meng, Chenxi Xu, Kwang-Su Park, H. Ümit Kaniskan*, Gang Greg Wang*, and Jian Jin*

J. Med. Chem., 2022, DOI: 10.1021/acs.jmedchem.2c00807

金坚教授简介

金坚，著名药物化学家, 美国西奈山医学院冠名教授，西奈山医疗发展中心主任, 西奈山伊坎医学院药理学系、肿瘤和神经科学系、帝势癌症研究所终身教授。本科毕业于中国科学技术大学；博士毕业于宾夕法尼亚州立大学，师从著名有机化学家Steven M. Weinreb。

金坚教授具有二十多年的小分子药物研发经验，在国际药物化学界享有盛誉。曾任葛兰素史克（GlaxoSmithKline）公司药物化学部门总监、北卡罗来纳大学教堂山分校药物化学部副主任等职。金坚教授课题组的研究方向主要为：（1）组蛋白甲基转移酶选择性抑制剂的发现；（2）G蛋白偶联受体偏向性配体的开发；（3）靶向肿瘤蛋白新型降解剂的研制。迄今为止已在相关领域发表超200篇SCI论文，包括Nature, Science, Cell, Nat. Med., Nat. Rev. Drug Discov., Nat. Biotechnology, Nat. Chem. Biol., Nat. Reviews Cancer, Cancer Cell, Nat. Cancer, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Sci. Adv., Nat. Commun., J. Med. Chem.等；申请美国及国际专利70余项。

金坚

https://www.x-mol.com/university/faculty/311500 

课题组主页

https://labs.icahn.mssm.edu/jinlab/   

王刚教授简介

王刚，北卡罗莱纳大学教堂山分校生物化学与生物物理系、药理学系和莱恩伯格综合癌症中心教授，博士生导师，课题组主要从事基因调控和染色质生物学、相分离调节以及干细胞和癌症的研究，取得诸多原创性发现，代表性成果发表在Wang J et al. Nature Cell Biology (2022)；Yu X, et al. Science Translational Medicine (2021)；Ahn JH, et al. Nature (2021)；Fan H, et al. Nature Genetics (2020)；Zhang Z, et al. Nature (2018)；Cai L, et al. Mol. Cell (2018)；Lu R et al. Cancer Cell (2016)；Cai L, et al. Mol. Cell (2013)。

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https://www.x-mol.com/university/faculty/347389