双靶向Pim-SIRT3化合物设计合成与治疗耐药白血病的作用机制研究

Now chemotherapy is the primary treatment of leukemia. However, MDR (multi-drug resistance) which is still known as pleiotropic drug resistance is one of the major obstacles for an effective treatment on leukemia. The study of autophagic cell death in tumor cells, which are sitmulated by death signaling, will help to discover a new targeted anticancer therapy and overcome drug resistance problem. In our previous work, we found Pim inhibitors SKLB-007 had antiproliferative activity in leukemia cells with submicromolar IC50 values（K562 IC50 = 1.1µΜ，K562G IC50 = 3.4 µΜ）and induced not only apoptosis but also autophagic cell death. Using the systems biological network and microarray, we found that SIRT3 hub protein network in autophagy regulation is dominant in the leukemia disease model. We developed apoptosis–autophagy network regulated by Pim-SIRT3. The crystal data of SKLB-007 and SIRT3 was obtained and confirmed the specificity of the target. In this research project, we plan to design, sythesize and modify a series of new compounds based on structural biology and investigate the structure-activity relationship to improve the specificity and the effectiveness of Pim-SIRT3. In additon, the leukemia therapeutic effect and molecular mechanism of preferred compound targeting Pim-SIRT3 network can provide leverage to treat leukemia that is chemoresistant on the basis of ineffective apoptosis and ground the further development of new treatment strategies of anti- leukemia drugs.

目前白血病细胞对化疗药物的多药耐药成为白血病临床治疗失败的主要原因。诱导肿瘤细胞自噬性死亡可以作为一个新的抗肿瘤策略并解决耐药问题。前期工作中，我们发现了靶向Pim设计的小分子抑制剂SKLB-007能抗白血病细胞增殖（K562 IC50 = 1.1 µΜ，K562G IC50 = 3.4 µΜ）并同时促进细胞凋亡与自噬性死亡。利用系统生物学、基因芯片技术等，我们找到了白血病模型中调控细胞自噬网络的枢纽蛋白SIRT3，构建了Pim-SIRT3调控的凋亡自噬网络，并获得了化合物SKLB-007与SIRT3去乙酰化酶的晶体数据，验证了靶点的专一性，具有良好的理论研究价值。本项目拟将在已获得SKLB-007结构上进行化学修饰，以提高其对Pim-SIRT3活性和选择性用于体内药效学实验，并通过分子生物学技术对优选化合物的抗耐药白血病作用机制深入研究，为一类基于新靶点抗白血病药物的研发提供重要依据。

目前白血病细胞对化疗药物的多药耐药成为白血病临床治疗失败的主要原因。诱导肿瘤细胞自噬性死亡可以作为一个新的抗肿瘤策略。利用系统生物学、基因芯片技术等，我们预测了蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络，并发现SIRT3调节自噬和肿瘤相关蛋白。在前期研究结果的基础上，我们首先基于假设预测了新的能够激活SIRTs家族蛋白可结合口袋，特别是能激活SIRT3的结合口袋。通过对口袋的分析，确定关键氨基酸残基Phe157影响NAD+结合，Phe157和His248的构象变化共同促进了去乙酰化过程。接下来根据该口袋进行虚拟筛选和体外评价获得小分子化合物S39。通过共晶研究获得小分子化合物S39与SIRT3蛋白结合信息。再通过这些信息，我们首先进行基于结构生物学的合理药物设计和化学修饰，合成51个系列化合物，并结合多种活性筛选明确了其构效关系，最终得到具有更优活性和靶向性的SIRT3激动剂小分子S39和QGX-1215。其中S39对白血病细胞有较好活性，而QGX-1215对乳腺癌细胞具有较好活性。此外，我们也发展了多种方法学构建了靶向SIRT3的小分子化合物库，将进一步丰富化合物多样性用于双靶向Pim-SIRT3蛋白筛选。抗白血病作用机制研究发现S39可以靶向SIRT3，诱导白血病细胞通过SIRT3-mTOR-ULK复合体发生自噬，同时S39通过PINK1-Parkin通路诱导线粒体自噬。动物水平研究发现S39在高剂量组可以抑制肿瘤细胞的增殖且无明显毒副作用。这些为开发靶向SIRT3及细胞自噬网络的新型抗白血病小分药物提供基础。此外，我们还将另一个优选化合物QGX-1215进行抗乳腺癌作用机制研究，同样发现该化合物可以靶向SIRT3，通过PINK1-Parkin通路调节线粒体自噬，诱导SIRT3依赖性线粒体自噬相关的细胞死亡来抑制增殖，并对肿瘤的转移也有抑制作用。.在本项目研究经费的资助下，项目负责人已经在J. Am. Chem. Soc, Chem, ACS Catalysis，RSC Advances, European Journal of Medicinal Chemistry, 等期刊共发表论文11篇，申请发明专利1 项，参加国内学术会议5 次。