第一代亚型选择性PDHK1共价抑制剂

注：文末有本文作者科研思路分析

丙酮酸脱氢酶激酶（PDHK）是一种存在于线粒体内的激酶，能够磷酸化并抑制丙酮酸脱氢酶复合物（PDC）产生，是葡萄糖代谢从线粒体氧化向无氧糖酵解转化的关键调控酶。PDHK有四个亚型，分别为PDHK1-4，其中PDHK1与癌症的恶性程度紧密相关。迄今，主要有三种不同抑制机制的PDHK抑制剂报道，包括硫辛酸口袋结合的抑制剂（AZD7545和Nov3r）、N末端的螺旋束结合的变构抑制剂（DCA）、ATP竞争型抑制剂（Radicicol）。尽管报道的PDHK抑制剂数量逐年上升，但抑制的作用机制依然没有突破上述三种类型，且针对这一靶点还没有相关的上市药物。因此，开发全新作用机制的PDHK抑制剂具有重要的创新性和应用价值。

华东理工大学的李剑教授团队与中科院上海药物研究所的黄敏、耿美玉、罗成研究员合作，针对李剑自建的老药库（约1400种上市药物），采用基于分子靶标PDHK抑制活性的高通量筛选实验，成功发现了一个保护性杀菌剂老药福美双，具有强效的PDHK1抑制活性（IC₅₀ = 0.113 ± 0.060 μM）。他们以福美双类似物JX06 （IC₅₀= 0.059 ± 0.013 μM）为靶向化学探针，开展了详细的抑制作用机制研究，首次发现探针分子JX06是一类全新作用机制的PDHK共价抑制剂，通过二硫键共价结合到PDHK1的一个保守的半胱氨酸残基（Cys240），导致识别并结合到PDHK1的ATP结合域（催化域）附近的一个疏水性区域（口袋）。JX06与Cys240共价结合后通过范德华力诱导Arg286构象发生变化，阻碍ATP进入到PDHK1的催化口袋，从而影响PDHK1的酶催化活性，发挥酶抑制作用。尽管探针分子JX06通过形成二硫键发挥激酶抑制作用，但它对其余323种常见激酶的选择性非常好，而且表现出中等的体内抗肿瘤药效，作为第一代PDHK1共价抑制剂表现出良好的成药潜力。该研究的重要应用价值还在于：解释了一个长期模糊不清的靶向肿瘤代谢有效性不佳的问题，即是否存在一个对糖酵解调控更加敏感的肿瘤细胞亚群。研究发现产酸率（ECAR）与耗氧率（OCR）的比值是一个重要的参数，可以作为肿瘤细胞是否对PDHK1抑制剂敏感的判定标准。ECAR/OCR > 0.5的肿瘤细胞对PDHK1抑制剂特异性敏感，导致ROS的增加和明显的细胞凋亡现象。这为基于肿瘤代谢的精准治疗和PDHK1抑制剂的临床发展提供了全新的理论基础（Cancer Res., 2015, 75, 4923-4936）。

在推进JX06临床前研究的过程中，作者发现单独应用PDHK1抑制剂仅表现出中等强度的体内抗肿瘤药效，并通过测试共价抑制剂与靶标结合的k_inact/K_i值，证实JX06对PDHK亚型的选择性较差，考虑到PDHK1-4具有不同的组织分布和生理功能，非选择性限制了JX06的药物开发。基于此，李剑与黄敏继续合作，开展了第二代PDHK1共价抑制剂的研究，设计合成了近100个JX06新结构衍生物（PCT/CN2016/073384），从中发现了安全性和选择性全面改进的第二代候选化合物3a （JX27），该化合物表现出对PDHK2、3和4分别超出42倍、46倍和~100倍的选择性。罗成等通过分子对接模拟出3a与PDHK1-4的相互作用模式，综合考虑3a与口袋的契合程度以及与共价反应位点处的Cys残基距离，间接证实了3a特异性抑制PDHK1的共价机制。

在动物体内实验中，3a也表现出良好的肿瘤抑制效果（TGI = 47.8% @ 80 mg/kg）。值得关注的是，3a对实验动物体重没有任何负面影响，明显优于其他化合物，我们认为这可能得益于其独特的PDHK1亚型选择性。该研究发现的化合物3a作为第一代具有良好亚型选择性的PDHK1共价抑制剂，具有良好的潜力成为靶向肿瘤代谢通路研究中的工具分子或先导化合物。

这一成果近期发表在Journal of Medicinal Chemistry 上，文章的第一作者是华东理工大学的博士研究生刘毅夫和中科院上海药物研究所的谢作权博士，通讯作者为华东理工大学的李剑教授和中科院上海药物研究所的黄敏研究员。

该论文作者为：Yifu Liu, Zuoquan Xie, Dan Zhao, Jin Zhu, Fei Mao, Shuai Tang, Cheng Luo, Meiyu Geng, Min Huang, Jian Li。

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）：

Development of the First Generation of Disulfide-Based Subtype-Selective and Potent Covalent Pyruvate Dehydrogenase Kinase 1 （PDK1） Inhibitors

J. Med. Chem., 2017, 60, 2227–2244, DOI: 10.1021/acs.jmedchem.6b01245

科研思路分析

Q：这项研究的最初目的是什么？或者说想法是怎么产生的？

A：该研究是李剑团队老药二次开发研究的一部分，相比于浩如烟海的有机化学结构，老药这一特殊的群体在潜在活性、安全性等多方面具有明显的优势，是各种新颖靶点及药物筛选平台理想的筛选对象。在该研究中，基于李剑自建的老药实体库（现已达到近1400种），我们在上海药物研究所最新的PDHK测试平台上首先筛选得到低毒农药福美双（Cancer Res., 2015, 75, 4923-4936）是PDHK共价抑制剂，进一步的药物化学和化学生物学研究发现了第一代具有亚型选择性的PDHK1共价抑制剂3a。

Q：研究过程中遇到的最大挑战在哪里？

A：前期的机制研究工作显示该系列的化合物是PDHK的共价抑制剂，而对于共价抑制剂如何准确地预测其作用位点、分子作用机制以及如何准确地度量其抑制活性（不同于常规的酶抑制活性测试），是该研究中比较大的挑战。对此我们借助分子对接和分子动力学模拟等技术手段，并通过测定抑制剂与靶标结合的k_inact/K_i值，最终解决了难题。

Q：本项研究成果最有可能的重要应用有哪些？哪些领域的企业或研究机构最有可能从本项成果中获得帮助？

A：该研究获得了第一代亚型选择性PDHK1共价抑制剂，有可能推动靶向代谢通路的抗肿瘤药物开发研究，后续还可以考虑研究PDHK1抑制剂与其他机制抗肿瘤药物的联合抗肿瘤活性研究。该研究发现的先导化合物福美双是一种保护性农药杀菌剂，这说明农药也可能成为药物开发的先导化合物来源。3a具有成为靶向肿瘤代谢通路研究中的工具分子或先导化合物的较大潜力。