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          2017年科研進展

          生物物理所與上海藥物所合作發現PI4KIIα特異底物競爭小分子抑制劑及其抗腫瘤機制

          發布時間:2017年08月31日

            2017年8月21日Cancer Research雜志在線發表了中國科學院生物物理研究所陳暢課題組題與上海藥物研究所羅成課題組、蔣華良課題組合作的研究論文“PI-273, a substrate-competitive, specific small molecule inhibitor of PI4KIIα, inhibits the growth of breast cancer cells”。該研究發現了磷脂酰肌醇4位激酶II型α亞型(phosphatidylinositol 4-kinase IIα, PI4KIIα)的第一個亞型特異小分子抑制劑PI-273,該抑制劑通過競爭其底物磷脂(PI)進而抑制酶活性,最終抑制乳腺癌腫瘤的生長。

            PI4KIIα是磷脂酰肌醇信號通路和磷脂酰肌醇代謝中的關鍵分子,在PI(4,5)P2生物合成、溶酶體和高爾基體相關膜轉運、細胞內信號通路傳導、病原體吞噬和神經突觸囊泡循環等方面起著重要作用。PI4KIIα的功能異常與腫瘤生長、痙攣性截癱、高雪氏癥和阿爾茨海默癥等人類疾病密切相關。陳暢課題組首次發現PI4KIIα高表達促進腫瘤生長(Oncogenes, 2010),進一步建立了以PI4KIIα與EGFR雙靶點聯合抗腫瘤的新策略(Protein and Cell, 2014)。然而PI4KIIα的基礎研究和臨床應用卻因為缺少其特異性抑制劑受到限制。已發現的PIK家族抑制劑絕大多數是PI3K的ATP競爭性抑制劑。因為PIK家族各亞型激酶核酸結合口袋氨基酸序列的高度保守性,大多數ATP競爭抑制劑不具有亞型選擇性抑制。2014年陳暢課題組與孫飛課題組合作解析了PI4KIIα結構和酶活調控機制(Nature Communications,2014),發現PI4KIIα的棕櫚?;迦肫卧谄渌鸓IK家族激酶中不存在,是篩選PI4KIIα特異抑制劑的理想作用位點。這使得瞄準篩選PI4KIIα的PI位點,進而發現其特異底物競爭性抑制劑成為可能。

            該研究在前期系列工作基礎上,靶向PI4KIIα的PI變構位點,采用基于配體底物PI的藥物設計策略,開展了PI4KIIα抑制劑的虛擬篩選。經過兩輪約一百多個化合物的酶和細胞實驗篩選,結合表面等離子共振實驗和蛋白熱穩定實驗等生物物理實驗,獲得了對PI4KIIα的首個抑制劑PI-273,其對PI4KIIα高表達的多種乳腺癌細胞系的細胞增殖有顯著抑制效果。酶動力學研究表明,與其他絕大部分結合在激酶ATP位點的PIK激酶家族抑制劑不同,PI-273可逆競爭PI4KIIα底物PI,從而抑制其酶活性。PI4KIIα位點突變研究進一步證明了PI4KIIα的棕櫚?;迦肫问荘I-273的關鍵作用位點。利用CRISPR/Cas9技術構建敲除PI4KIIα的細胞系,發現PI-273對敲除PI4KIIα的細胞系細胞增殖和PI4KIIα下游信號通路抑制作用顯著降低,說明PI4KIIα是PI-273的特異性作用靶點。進一步機制研究表明PI-273可以通過阻礙細胞周期G2/M期而抑制細胞增殖,誘導細胞凋亡,抑制癌細胞成克隆能力。在小鼠移植瘤模型中,PI-273可以顯著的抑制MCF-7乳腺癌細胞誘導的小鼠腫瘤的生長,并對小鼠無明顯毒副作用。

            該研究有效整合藥物設計與實驗驗證,發現了PI4KIIα的第一個亞型特異小分子抑制劑。與絕大多數激酶的ATP競爭性抑制劑不同,由于PI-273是PI4KIIα變構位點底物PI的競爭性抑制劑,其具有更高的亞型選擇性。該抑制劑的發現對PI4KIIα的基礎科學研究和應用均具有重要的促進意義。

            中科院生物物理所陳暢研究員和中科院上海藥物所羅成研究員為本文的共同通訊作者,中科院生物物理所陳暢組李江美博士、博士生高振和上海藥物所羅成組博士生趙丹為本文共同第一作者。該研究得到中科院個性化藥物先導專項A、國家重點研發計劃重大專項以及國家自然科學基金資助。

            文章鏈接  

          圖示:PI4KIIα特異底物競爭小分子抑制劑PI-273抑制乳腺癌作用及機制

           

          (供稿:中科院生物物理所陳暢課題組,中科院上海藥物所羅成課題組)

           

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