华中师范大学JMC | 靶向AMP结合口袋的亲和力/共价作用双驱动的FBPase抑制剂的设计与确证

英文原题：Structure-Guided Design of Affinity/Covalent-Bond Dual-Driven Inhibitors Targeting the AMP Site of FBPase

通讯作者：任彦亮、饶立、万坚（华中师范大学）

作者：Hongxuan Cao, Zeyue Huang, Zheng Liu, Xiao Zhang, Yanliang Ren*, Muhammad Salman Hameed, Li Rao*, Nokwanda P. Makunga, Georgi M. Dobrikov, and Jian Wan*

共价抑制剂在药物研发领域具有举足轻重的地位，其显著优势包括提升药物效力、延长药效持续时间、塑造独特的靶向选择性以及增强药物的整体类药性。目前，美国食品和药品管理局（FDA）批准的靶向药物中约有三分之一是共价抑制剂，充分彰显了共价抑制在现代药物设计中的巨大潜力。在糖尿病治疗中，二肽基肽酶IV（DPP4）共价抑制剂如沙格列汀已取得显著临床成效，标志着共价降糖药物的突破。

果糖-1,6-二磷酸酶（FBPase）作为糖异生途径中的限速酶，在调控内源性葡萄糖生成（EGP）过程中扮演着举足轻重的角色。人体肝脏FBPase已然成为治疗2型糖尿病（T2DM）的潜在干预靶标，其抑制剂的研究与开发从上世纪八十年代开始持续推进，不断为糖尿病治疗领域注入新的活力。然而，传统FBPase非共价抑制剂仍面临多种复杂挑战，包括底物结合口袋的高度亲水特性、对AMP结合蛋白的选择性受限，以及临床安全性问题。与此同时，针对FBPase共价抑制剂的研究也相对不足，亟需进一步深入探索。在前期工作中，华中师范大学万坚（点击查看介绍）、任彦亮（点击查看介绍）、饶立（点击查看介绍）团队利用共价抑制剂设计策略结合多种分子生物学手段，发现了FBPase全新的共价变构抑制机理和靶向共价抑制剂（Eur. J. Med. Chem. 2019, 184, 11749; J. Med. Chem. 2020, 63, 6238; J. Med. Chem. 2022, 65, 9126），并在小鼠模型中能够展现一定的降糖活性。 

近日，该团队在FBPase共价抑制剂的研究基础上再次取得重要进展。已报道的磺酰脲类抑制剂可作用于FBPase酶的AMP位点（图1），但也可作用于其他靶点，靶向选择性较差。AMP与FBPase的复合物共晶结构（PDB ID：5ZWK）显示AMP结合构象附近存在一个较高共价反应活性的半胱氨酸残基C179。为此，该团队提出了利用共价子弹头筛选和精准优化策略，得到选择性共价C179的磺酰脲类共价抑制剂，实现了非共价亲和力为主、共价相互作用为辅的双驱动型FBPase新型共价抑制剂。

图1. 靶向AMP结合口袋的FBPase共价抑制剂设计策略示意图。

随后的定点突变实验、Cov_DOX理论计算以及X-ray共晶结构（PDB ID：8XBK）表明化合物11（IC₅₀ = 2.06 μM）为可以选择性结合AMP别构位点同时共价修饰FBPase的C179残基的强效双重驱动共价抑制剂（图2）。通过SAR优化，该团队设计合成了一系列含溴乙酰胺子弹头结构但非共价基团不同的11类似物，其中化合物11n显示出最强的FBPase抑制活性（IC₅₀ = 0.53 μM）。

图2. 化合物 11 与 FBPase 的共晶结构及相互作用分析。

进一步的生物活性分析显示，11n具有在糖尿病小鼠模型上具有良好的降糖活性，且体现出了一定的剂量依赖性和长效性（图3）。此外，通过pull-down和Western blot分析显示该类化合物在细胞水平具有良好的FBPase靶酶选择性。综上所述，这项研究展示了非共价亲和力与共价相互作用双重驱动抑制剂在小分子药物设计中的潜力，并为基于AMP别构位点开发强效、高选择性共价药物提供了一个有前景的途径。

图3. 二甲双胍（Met）或11n单次给药对ICR或db/db小鼠血糖的影响。

这一研究成果近期发表在国际药物化学顶级期刊Journal of Medicinal Chemistry 上，文章的通讯作者为华中师范大学化学学院任彦亮教授、饶立副教授和万坚教授，华中师范大学化学学院的博士研究生曹宏轩、黄泽粤以及刘正为本文的共同第一作者。

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Structure-Guided Design of Affinity/Covalent-Bond Dual-Driven Inhibitors Targeting the AMP Site of FBPase

Hongxuan Cao, Zeyue Huang, Zheng Liu, Xiao Zhang, Yanliang Ren*, Muhammad Salman Hameed, Li Rao*, Nokwanda P. Makunga, Georgi M. Dobrikov, and Jian Wan*

J. Med. Chem. 2024, 67, 22, 20421–20437

https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.4c01886 

Published November 9, 2024

© 2024 American Chemical Society

导师介绍

万坚

https://www.x-mol.com/university/faculty/10809 

饶立

https://www.x-mol.com/university/faculty/340434 

任彦亮

https://www.x-mol.com/groups/ren_yanliang 

（本稿件来自ACS Publications）