医学-以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计

以BCL-2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计Bcl-2FamilyProteinsasTherapeuticTargetsforanticancerdrugdesignDate:2021-05-231OutlineBackgroundHallmarksofCancerTheBcl-2ProteinFamilyModelofBH3mimetic-inducedapoptosisStructurebasisfordesigningligandsSmallmoleculeinhibitorsPeptidomimeticapproach—mimicthea-helixoftheBH3peptidesABT-737,ABT-263andtheiranalogspan-activeinhibitorofBcl-2SelectiveBcl-2inhibitorsselectiveBCL-xLinhibitorSelectiveMcl-1inhibitors2,Cell,144(5):646-674HallmarksofCancer3ExtrinsicandintrinsicpathwaysofapoptosisExpertOpin.Ther.Patents(2021),22(1):37-554TheBcl-2ProteinFamilyTheBcl-2FamilyProteinswithanti-orpro-apoptoticfunction

Characteristics:(Often)aC-terminaltransmembranedomain.Bcl-2homology(BH)domains.Bcl-2proteinsformhomo-andheterodimersviatheirBH-domainsBH1,BH2: PredictedtoformionchannelsBH3: The〞suicidedomain〞–regulatescelldeathBH4: Thoughttoconferanti-apoptoticactivity.(Chan&Yu.(2004).Clin.Exp.Pharmacol.Physiol.31:119).Chipuk,J.E，MolecularCell，2010，37(3):299-3105ElevatedofBcl-2orBcl-xLexpressionSeminarsinOncology,2004,30(Supplement16):133-142.6ModelofBH3mimetic-inducedapoptosis一、直接模型：

抑制剂代替促凋亡蛋白BAK/BAX，与抗凋亡蛋白Bcl-2/Bcl-xl结合，从而抑制后者，促进细胞凋亡二、间接模型

抑制剂替代特定的激活因子BH3-only蛋白，与抗调亡蛋白如BCL-2/BCL-xL结合，游离出来的BH3-only蛋白，激活BAK/BAX。NatureReviewsDrugDiscovery2021，7(12):989-1000ClinicalCancerResearch2021，15(4):1126-1132.Oncogene，2021，27(S1):S149-S157.7Structurebasisfordesigningligands8ThemolecularbasisforheterodimerformationHeterodimerizationbetweenmembersoftheBcl-2familyofproteinsisakeyeventintheregulationofapoptosispro-apoptoticprotein(Bak)adoptsanamphipathica-helix(BH3domain)thatinteractswithanti-apoptoticproteins(Bcl-xl)throughhydrophobicandelectrostaticinteractionsinthehydrophobiccleft.9抗凋亡蛋白(BCL-2)是通过其外表疏水凹槽与促凋亡类(BIM)的BH3区域结合发生相互作用，调节细胞正常的生理凋亡。BCL-2familyantagonistsforcancertherapy.NatureReviewsDrugDiscovery2021，7(12):989-1000OverlayofBCL-XL–ABT-737complexwithBCL-xlL–BIMBH3complexBcl-2andBIMBH310Bcl-xLandBak-BH3SurfacerepresentationofthebindingpocketofBcl-xLboundtotheBakpeptide11."StructureofBcl-xL-BakPeptideComplex:RecognitionBetweenRegulatorsofApoptosis."Science1997，275(5302):983-986.Bcl-xL----BimBH3Mcl-1—BimBH3Bcl-xL/BadProteinScience,2000,9:2528–2534125个疏水中心

(P1,P2,P3,P4和P5)4个氢键供体(D1,D2,D3和D4)2个氢键受体(A1andA2)Bcl-2活性部位分布图在受体D1、D2、D3、A1位点出现比较频繁，与受体形成静电作用能提高亲和力与特异性D4，A2位点出现频率较小，能量奉献不大BMC，2007，15(19):6407-6417SmallmoleculeinhibitorsPeptidomimeticapproach—mimicthea-helixoftheBH3peptidesABT-737,ABT-263andtheiranalogspan-activeinhibitorofBcl-2SelectiveBcl-2inhibitorsselectiveBCL-xLinhibitorSelectiveMcl-1inhibitors14BakPeptidomimeticapproach—mimicthea-helixoftheBH3peptides

JACS,2005,127(29):10191-10196JACS,2005,127(15):5,463-546815JBiolChem.2021,18;286(11):9382–9392OrganicLetters,2007,9(19):3733-3736.BimBH3a-helixJ.Med.Chem.2021,55,10735−1074116ABT-737,ABT-263andtheiranalogs17SARbyNMR与ABT-737系列的发现3.Screenforsecondligand2D1H-15NHSQC谱中蛋白的H1或N15化学位移变化。18Science.1996Nov29;274(5292):1531-4.4.基于上述三维结构设计恰当的连接桥将两个片段连接起来，使得到的分子和靶蛋白结合时保持各自独立时的结合位置及其空间取向，最终筛选得到一个高亲和性的配体.特点：首先筛选结合于生物靶分子亚活性位点的低亲和性配体，然后通过优化和组装便得到所期望的高亲和性配体。优点：NMR实验方法来区分小分子和靶蛋白的结合，能快速地从小分子化合物库中发现结合于靶蛋白亚活性位点的低亲和性配体。如Fesik等筛选溶基质素(stromelysin)的抑制剂只用了半年时间。限制：知道靶蛋白确切的NMR三维结构、提供足够量的15N标记的靶蛋白(>200mg)〔<25kDa〕、解析蛋白质三维结构的能力。Linkligands连接基团成功的关键是连接桥的长度及其性质〔如刚性〕Science274,1531-1534(1996)19ABT-737系列的发现过程1.为BCL-xL筛选第一个配体。从平均分子量为200Da的10000个化合物片段库中筛选出来1黑：HSQCof15N-Bcl-xL红：HSQCof15N-Bcl-xLwithbiarylacid〔1〕1的羧基能与R139结合，相当与Bcl-Xl—Bak复合物中的D8320Site1:Tyr101,Leu108,Val126andPhe146212.筛选第二个配体从平均分子量为125Da的3500个化合物中筛选出11黑:HSQCof15N-Bcl-xL.红:HSQCof15N-Bcl-xLwithbiarylacid(1).绿:HSQCof15N-Bcl-xLwithnapthol(11).22

连接方式25的活性比1提高了大概200倍，但溶解度不好1123JMedChem49,656-663(2006)Site224A-38535831不幸的是，31在HSA存在情况下与Bcl-Xl结合大大下降。它能与HSA的domainIII紧密结合。J.Med.Chem.2006,49,1165-118168倍的失活Bcl-xLKi<1nMBcl-xLKi10%HS:35nM25增加site1的极性ABT-263-----口服小分子抑制剂ABT-737ABT-263MW:974Pka10J.Med.Chem.2021,51,6902–6915NatureReviewsDrugDiscovery2021，7(12):989-100026MW：813.43ABT-737/ABT-263类似物〔以结构为根底的药物设计〕喹唑啉类JACS.2006,128,16206-16212J.Med.Chem.2021,54,1914–1926J.Med.Chem.2021,55,4664−4682J.Med.Chem.2021,55,6149−6161J.Med.Chem.2021,55,8502−8514J.Med.Chem.2021,56,3048−30674,5-二苯基吡唑类Bcl-2/Bcl-xL:Ki<1nMAOptimizationBM-9572728总结1、ABT-737/ABT-263打破了lipinsk’sruleoffive。一方面是由于雅培公司研究人员用SARbyNMR，平行合成，基于结构药物设计多种方式设计小分子抑制剂；另一方面，对小分子与受体结合模式的进行双向研究，相互理解。2、对研究者研究Bcl-2家族蛋白，及设计小分子抑制剂有很好的指导作用：BCl-2/BCl-Xl三维结构的理解、SARbyNMR、Structure-BasedDesign，FBDD等。29pan-activeinhibitorofBcl-230ObatoclaxPhaseIIAT-101PhaseII/III早期研发的抗凋亡蛋白小分子抑制剂根本上都是pan-Bcl-2antagonist包括三联苯类，HA-14-1及其类似物，棉酚及其衍生物，BH3I及其衍生物等

BH3I-1S1DCBL55JournalofMedicinalChemistry,2021,53(9):3465-3479NatureReviewsDrugDiscovery,2021,7(12):989-100031ABT-199SelectivelyKillsBCL-2-DependentTumorCellsWhileSparingPlatelets(A)Navitoclax(ABT-263)bindswithhighaffinitytobothBCL-2andBCL-XL.Becausemanytumors,particularlylymphoidmalignancies,areaddictedtoBCL-2forsurvival,...CancerCell,2021,23(2),139-141ABT-199：SelectiveBcl-2inhibitor32Naturemedicine,2021,19(2):202-8BCL-2Ki<0.010nMBCL-XLKi=48nMBCL-WKi=245nMPhaseI/IIPhaseI33化合物1与Bcl-2化合物2与Bcl-234其它Y