基于结合特征匹配合理设计结构多样性Keap1-Nrf2蛋白-蛋白相互作用抑制剂

The Keap1-Nrf2 protein-protein interaction is the key node in the regulation of cellular inflammatory microenvironment. Effectively inhibiting the Keap1-Nrf2 protein-protein interaction can activate the Keap1-Nrf2-ARE system, thereby promote the synthesis of glutathione, accelerate the clearance of ROS and enhance the metabolism of extraneous matters, ultimately improving the cellular microenvironment and fundamentally inhibiting the occurrence and development of diseases. This project aims to solve the problems on the deficiency of the reported Keap1-Nrf2 small-molecule inhibitors including the insufficiency of the abundance and diversity of the chemical strucuture by matching binding determinants to the fragment structure, leading to the further investigation of the chemical spaces of the Keap1-Nrf2 inhibitors and the discovery of novel Keap1-Nrf2 inhibitors. On the other hand, this project also carries out the deep investigation on the molecule mechanism of the binding between small molecule inhibitors and Keap1 in order to validate the kinetic and dynamic characteristics of the binding. Based on the above research, this project expects to clarify the regulation mechanism of the Keap1-Nrf2 protein-protein interaction by small molecules and provide modulators with diverse chemical structures for the novel drug development of this target.

本项目研究的Keap1-Nrf2蛋白-蛋白相互作用是细胞炎性微环境调控的重要节点。抑制Keap1-Nrf2相互作用可以激活Keap1-Nrf2-ARE体系，促进谷胱甘肽合成、加速活性氧清除、增强异物代谢，最终改善细胞微环境，从根源上抑制炎性疾病的发生和发展。本研究着重针对已有Keap1-Nrf2抑制剂的化学结构的丰富性和多样性不足、对称性过高的问题，使用结合特征匹配碎片结构的方法进一步探索Keap1-Nrf2抑制剂的化学空间，发现结构新颖的Keap1-Nrf2抑制剂；同时针对小分子抑制剂-Keap1结合的动力学和热力学机制不明的问题，深入研究小分子-Keap1结合的分子作用机制，明确小分子-Keap1结合的动力学和热力学特征。通过上述研究，进一步阐明小分子调控Keap1-Nrf2蛋白-蛋白相互作用的作用机制，并为该靶标的创新药物开发提供化学结构多样的调控剂。

转录因子Nrf2是细胞保护性机制的重要调节蛋白。增强Nrf2活性可以有效保护细胞免受外来的各类刺激所带来的的损伤。目前，直接抑制Keap1-Nrf2蛋白-蛋白相互作用已经被认为是激活Nrf2活性的一种重要的成药调节模式。然而现有的Keap1-Nrf2抑制剂还存在着结构单一、成药性不足和生物活性不明确等问题。在本项目中，我们依据现有抑制剂的结构结构，通过碎片分子，证实了氨基酸是Keap1-Nrf2抑制剂的优势结构，并确证脯氨酸是优势取代基。获得的优势化合物具有43nM靶标抑制活性和53.7 nM的Keap1结合活性。进一步的实验证实化合物能在细胞水平有效结合Keap1蛋白。化合物能够在细胞水平和整体动物模型水平有效的激活Nrf2调节防御机制，并有效对抗由对乙酰氨基酚引起的肝损伤。在本项目中，我们还使用高活性的Keap1-Nrf2抑制剂作为化学工具研究了其在慢性肾炎中的潜在治疗应用。我们发现Keap1-Nrf2抑制剂能够有效保护肾小管上皮细胞中的Nrf2活性，并激活下游蛋白。这一效应导致肾小管上皮细胞能够有效抵御LPS引起的炎症损伤，降低由ROS导致的Nf-kB通路的活化效应。在小鼠慢性肾炎模型中，我们同样发现化合物能有效激活肾脏组织的Nrf2活性，抑制局部炎症反应，从而有效改善了肾脏组织的病理改变，有效增强了肾脏功能。这些结果提示Keap1-Nrf2抑制剂可能是一种较有效的治疗慢性炎症性肾病的治疗药物。在本项目的研究中，我们还发现和研究了三类其他类型的Keap1-Nrf2抑制剂，并探索了小分子Keap1-Nrf2抑制剂在溃疡性结肠炎和帕金森病等病理模型中的潜在治疗应用。本项目研究取得的成果一方面为进一步的研究Keap1-Nrf2抑制剂的治疗应用提供了化学工具和潜在方向，另一方面也有效丰富了Keap1-Nrf2抑制剂的化学空间，为进一步的抑制剂成药性优化奠定了坚实的基础。