基于诱导Phe199位移变化策略选择性抑制热休克蛋白内质网亚型Grp94蛋白的药物发现及其应用探索

Heat shock protein 90（Hsp90） is one of the key roles that stands at the center of oncogenic proteostasis. However, the clinic effect of Hsp90 inhibitors are disappointing. In this project, we aim to develop Grp94-selective inhibitor in ER to avoid the defects of the traditional pan-Hsp90 inhibitors. Designing the inhibitor with activity and selectivity based on the induced fit strategy is chosen as the main research idea. To develop the selective inhibitor, the method is to design the fragment from the good scaffold based on the induced fit strategy in order to induce and occupy the hydrophobic pocket by moving Phe199 in the ATP pocket of Grp94. After that, based on the binding physical chemistry disciplines, microscopic intermolecular interactions, macroscopic physical chemistry effects and detailed molecular properties can be coordinated to evaluate and optimize the Grp94 inhibitors. Combining the techniques from chemical biology and molecular biology, the Grp94 inhibitors will be used as molecular probe to identify novel regulatory mechanism of Grp94 benfit the drug development process in tumor cells as well as the development of tumor inflammatory microenvironment. The project will provide new insight into the role of Grp94 in the development of chronic inflammation and cancer and new strategies for developing cancer therapeutics targeting Grp94.

热休克蛋白Hsp90是肿瘤发生发展过程中的关键分子之一，而现有Hsp90抑制剂临床疗效并不理想。本项目核心是开发选择性靶向热休克蛋白内质网亚型Grp94蛋白抑制剂，以期能克服传统Hsp90抑制剂的缺点。主要研究思路是基于诱导契合策略合理开发兼顾活性和选择性的亚型抑制剂。即在整合优势骨架基础上进行分子片段生长，诱导Grp94ATP口袋结构中苯丙氨酸（Phe199）发生位移，占据暴露的新疏水口袋，开展抑制剂开发。同时考察抑制剂与靶标结合过程中的选择性行为、结合动力学和热力学行为以及理化性质参数等，最终获得具有结构新颖活性明确的调控剂，并以此为探针分子，利用化学生物学、分子生物学等相关技术深入挖掘Grp94介导肿瘤炎症微环境的产生和炎-癌转化网络的关键节点作用，探索选择性抑制Grp94的治疗学效应。本项目综合运用多种技术，发挥交叉学科优势，为从炎-癌转化角度诊治肿瘤提供新的调控剂和药物靶点。

本项目核心是开发选择性靶向热休克蛋白内质网亚型Grp94蛋白抑制剂，以期能克服传统Hsp90抑制剂的缺点。申请人通过深入分析Grp94蛋白发挥活性时的动态结构属性，探测其可结合口袋结构信息，解决Grp94蛋白抑制剂开发过程中选择性不高的问题。(1) 首次发现Grp94蛋白中的Phe199在配体诱导下产生移动是化合物选择性抑制Grp94的结构基础。（2）创新性提出基于结构的精准药物分子设计及骨架迁越策略，我们以“苯甲酰胺”作为药效片段，巧妙地在氨甲酰基间位引出刚性片段“苯环”以迫使Phe199产生移动，并占据新诱导暴露出的Site 2疏水口袋，设计得到苯甲酰胺类、苯炔类等Grp94抑制剂。（3）创新性提出了基于靶标蛋白进行分子片段生长装配策略，高效、高成功率快速构建了靶向Grp94蛋白结构多样、新颖、类药性的化合物库，解决抑制剂化学结构多样性问题。(4) 本项目研究设计、合成并评价了120个新型Hsp90内质网亚型Grp94选择性目标化合物、通过兼顾Grp94靶向活性、选择性及成药性的结构优化，获得了3个具有良好体内抗肿瘤活性及安全性的候选分子，可用于进一步系统性临床前评价研究；优化得到代表性化合物DDO-5813，对Grp94的抑制活性达到2 nM，是目前国际上活性最强的Grp94特异性抑制剂。（5）我们探索研究了选择性靶向Grp94对肿瘤和炎症等疾病的治疗学效应，首次证实了Grp94选择性抑制剂对溃疡性结肠炎的治疗作用，为靶点进一步成药性研究提供了更多生物学基础。