SIRT6组蛋白去乙酰化激动剂探针设计及其在肝癌中功能研究的应用

SIRT6, a member of deacetylase SIRT family, is responsible for deacetylation reactions of histone H3 Nε-acetyllysines 9 (H3K9Ac) and 56 (H3K56Ac). SIRT6 regulates diverse physiological processes, including genome stability, metabolism, and aging. As a tumor suppressor, SIRT6 is frequently reduced for its expressions in human hepatocellular carcinoma (HCC). However, the function and mechanism of these physiological and pathological processes remain unknown. In our previous study, we identified a SIRT6 activator MDL-800, which activated the deacetylase activity of SIRT6 by binding to a potential allosteric site, leading to a global decrease in H3K9Ac and H3K56Ac in HCC cells. The current project, based on our previous work, plans to further improve the deacetylase activity and selectivity of this series of SIRT6 activators. Using the optimized SIRT6 activator as a probe, the dynamic modification of histone H3K9 and H3K56 in HCC will be explored for its role in function effect, molecular mechanism, and signaling pathway. These data are beneficial to demonstrate that pharmacological activation of SIRT6 is a valid therapeutic approach for the treatment of HCC, and provides a first-in-class cellularly active small-molecule SIRT6 activator as lead compounds.

SIRT6作用于组蛋白H3上特定赖氨酸(H3K9和H3K56)发挥去乙酰化酶活性，在生理条件下促进DNA修复、糖/脂代谢及延缓衰老，并在临床中发现对肝癌具有抑癌基因作用。然而，SIRT6调控的组蛋白乙酰化动态修饰在这些过程中的功能规律及其机制仍未阐明。我们在前期工作中发现了SIRT6首个可用于功能研究的小分子激动剂，其通过变构方式直接结合并激动SIRT6的去乙酰化酶活性。利用该探针，在肝癌细胞中我们证实激动SIRT6明显降低组蛋白H3K9和H3K56的乙酰化，并抑制肝癌细胞生长。本项目拟在此基础上，利用合理设计方法优化此类小分子结构，进一步获得高效高选择性的SIRT6组蛋白去乙酰化小分子激动剂，利用该化学探针工具系统揭示SIRT6调控的组蛋白乙酰化动态修饰在肝癌发生发展中的功能，阐明其调控机制及信号通路，为确定SIRT6作为潜在的抗肝癌新靶点提供理论依据，并发现相应的先导分子。

SIRT6是组蛋白去乙酰化酶家族中的重要成员，由于缺乏有效的化学探针，其功能规律及作用机制未知，严重阻碍了其作为靶标在肿瘤等重大疾病中进行药物研发。我们在本项目支持下，发展变构药物设计技术，以此发现了首个SIRT6激动剂MDL-800，并优化进而获得MDL-811；利用MDL分子作为探针，系统研究SIRT6 调控的组蛋白乙酰化动态修饰在肿瘤中的发生机制，探索了其在多种肿瘤适应症上的用药方案和组合方式，为在这些重要疾病上进行创新药物发现提供了先导化合物。主要内容如下：（1）我们发展了变构调节剂的自动化优化方法Allofinder，不仅可以高精度地识别变构位点 (准确性提高15%)，而且可以发现在静态晶体结构中并不显著的隐藏变构位点(Hidden allosteric site)，从而发现具有更好活性的变构调节分子；（2）我们利用发展的Allofinder方法，筛选发现提高酶活的变构小分子，并根据变构小分子作用机制从亲和力和激动活性两方面进行药物化学优化，成功获得了了具有较好临床前特征的活性激动剂MDL-800；（3）我们进一步优化获得了第二代SIRT6小分子激动剂MDL-811。利用MDL系列分子作为探针，我们系统研究SIRT6调控的组蛋白乙酰化动态修饰在肿瘤发生发展中的作用机制及通路，发现SIRT6激动可以通过CYP24A1发挥阻断肿瘤细胞的细胞生长周期作用，从而抑制肿瘤生长；（4）我们还发现了对MDL-800最敏感的多种肿瘤细胞系，遗传背景均是EGFR突变的细胞；联合使用MDL-800和三代EGFR-TKI可以对EGFR突变肿瘤细胞系，长期筛选构建得到的奥希替尼耐药型细胞株，以及多种肿瘤病人来源的原代肿瘤细胞中均产生显著增强的抗增殖效果，说明了联合使用SIRT6激活剂MDL-800和EGFR-TKI是治疗多种肿瘤很有潜力的临床策略；（5）此外，我们利用MDL-800/MDL-801为化学探针，针对SIRT6激动在体内的作用机制进行了系统研究，发现MDL分子可显著促进细胞iPSC中NHEJ与BER的修复效率，而对HR无显著影响。这一研究显示利用小分子药物靶向激活SIRT6可通过提高DNA修复能力以改善iPSC的基因组稳定性。