基于细胞自组装蛋白水解靶向嵌合体策略设计新型CDK9小分子调控剂

CDK9 (cyclin dependent kinase 9) is one of the most critical molecules during tumor development. The currently investigated inhibitors of CDK9 showed poor antitumor activity in in vivo studies. Our research group has recently discovered a novel series of small-molecule modulators, which designed based on the strategy of proteolysis targeting chimeras (PROTACs), may avoid the defects of the traditional kinase inhibitors through degrading the expression level of CDK9. The small molecule PROTACs were expected to show good antitumor activity both in in vitro and in vivo. PROTACs are hetero-bifunctional with high molecular weight which can limit cellular permeation, solubility, and other drug-like properties. In this research, we introduce the bio-orthogonal chemistry technology to construct the in-cell click-formed proteolysis targeting chimeras (CLIPTACs), which may improve the drug-like properties of PROTACs. By analyzing the catalytic pocket of CDK9 and E3 ubiquitin ligases, we are promoted to optimize the CDK9 targeting PROTACs based on the structural factors. Subsequently, the specific tagged group were introduced to the ligands to form CLIPTACs. Further through evaluating the target affinity and protein degradation activity, the optimal functional substituents of PROTACs were ought to be obtained. With fully consideration of the biological activity and druggability during the design and optimization of small molecule PROTACs, we prospect to discover compounds targeting CDK9 as novel antitumor candidates with high potency and low toxicity.

CDK9是肿瘤发生发展过程中关键分子之一，而目前在研的CDK9抑制剂普遍临床抗肿瘤效果不佳。本项目前期利用蛋白降解靶向嵌合体策略构建新型CDK9小分子调控剂，以期能够克服传统激酶抑制剂的缺陷，在体内/外获得良好抗肿瘤活性。蛋白降解靶向嵌合体（PROTACs）作为异型双官能团分子，类药性问题是该类化合物向药物转变的主要瓶颈。本项目创新性引入“生物正交化学”技术，通过构建基于细胞自组装的蛋白水解靶向嵌合体，以改善化合物理化性质等成药性指标。在分析CDK9蛋白与E3连接酶催化口袋特征的基础上，本项目首先拟从结构因素优化获得靶向CDK9及募集E3连接酶的配体分子，并引入特定标签官能团构建PROTACs分子，随后进行靶标亲合力及蛋白降解活性评价，探索最优功能取代基的配置方案。本项目兼顾抗肿瘤活性及类药性进行设计与结构优化，以发现高效、低毒的靶向CDK9的PROTACs分子作为新型抗肿瘤候选化合物。

CDK9是肿瘤发生发展过程中关键分子之一，而目前在研的CDK9抑制剂普遍临床抗肿瘤效果不佳。本研究基于PROTACs 策略，运用药物化学的研究思路和手段，开展基于蛋白降解新策略构建靶向CDK9 的小分子调控剂的研究：①基于天然产物汉黄芩素，设计以黄酮类母核为弹头的CDK9-PROTAC，共合成目标化合物8个，验证了基于汉黄芩素8位作为偶联位点设计选择性降解PROTACs分子的可行性。其中，基于三氮唑设计并合成的化合物具有良好的CDK9降解活性及选择性，并且对下游的Mcl-1蛋白也具有良好的降解活性。其中，化合物LWJ-307具有最优CDK9降解活性，以及抗肿瘤活性。通过对化合物进一步考察，发现该化合物能够蛋白酶体依赖的、CRBN依赖的降解CDK9。②基于汉黄芩素母核，对分子弹头进行优化。通过在本课题组之前的工作基础之上，对黄酮类骨架8位进行骨架变化，寻找活性更优、选择性较佳的CDK9小分子抑制剂。并通过引入含氮脂肪侧链，以改善化合物的理化性质及类药性。通过完善的构效关系探讨，寻找到具有较好选择性及CDK9抑制活性先导化合物LWJ-109，进一步通过体外、体内生物活性测试验证化合物LWJ-109具有较好的抗肿瘤活性。并以最优化合物LWJ-202为靶向CDK9的配体，发现具有良好CDK9降解作用及抗肿瘤活性的PROTACs小分子LWJ-401作为抗肿瘤候选化合物。③ 基于选择性CDK9抑制剂为BAY1143572为弹头的CDK9-PROTACs的分子设计合成。共计合成目标化合物15个，代表性化合物LQX-B03对CDK9降解作用最强，其DC50为7.62 nM。进一步蛋白降解机理分析，其对CDK9的降解具有高选择性和可逆性，且其还能够调节CDK9下游的抗凋亡蛋白MCL-1的表达水平。并能有效地促进细胞凋亡。通过以上生物活性评，证明了基于BAY-1143572构建靶向CDK9的PROTACs分子的可行性。并发现了化合物LQX-B03具有很好的生物活性，具有进一步的研究价值。通过本项目系统研究PROTACs分子对CDK9 蛋白降解活性的构效关系，为靶向CDK9 的 的PROTACs 分子的设计与发现提供有价值的信息，从而可以快速推进该策略在药物研发方面的应用。