【First-in-class药设系列】抗白血病的NUDT15选择性抑制剂的设计

导读:来自瑞典的研究人员开发了一种选择性NUDT15抑制剂TH1760,并评价了其与巯嘌呤类药物合用在AML中的潜在临床用途。

巯嘌呤类药物属于嘌呤类抗代谢药物,包括6-硫鸟嘌呤(6-TG)、6-巯基嘌呤(6-MP)和硫唑嘌呤(AZA)等,常用于白血病(如ALL和AML)和炎症性疾病(如克罗恩病等)的治疗。在细胞中,巯嘌呤类药物转化成活性代谢产物6-thio-(d)GTP,掺入到基因组原料中,引起无效DNA修复,最终导致细胞凋亡。NUDT15是NUDIX(Nucleosidediphosphate linked to moiety X, NUDIX)水解酶超家族成员,与NUDT1(MTH1)类似,但其对氧化型核苷酸的代谢较弱。


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NUDT15主要参与巯嘌呤类药物活性代谢产物6-thio-(d)GTP的代谢清除。有关NUDT15的文献主要集中在最近5年,目前对其生理功能仍知之甚少。临床研究发现NUDT15基因多态性(如R139C)与巯嘌呤类药物造血系统毒性升高显著相关。在细胞及小鼠体内,敲除NUDT15可有效提高6-thio-(d)GTP的浓度。在NUDT15敲除小鼠中,巯嘌呤类药物的给药剂量可降低20倍而不影响抗白血病疗效。这表明现有基于巯嘌呤的治疗方法可通过靶向NUDT15的6-thio-(d)GTP酶活性进行调控。因此,来自瑞典卡罗林斯卡医学院的研究人员开发了一种选择性NUDT15抑制剂TH1760,并系统评价了其与巯嘌呤类药物合用在AML中的潜在临床用途。


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首先,研究人员利用酶联孔雀石绿高通量筛选方法,对17946个化合物进行筛选,根据抑制活性、潜在的结合效率及成药性,选择37个候选化合物进行剂量效应验证,进而得到化合物TH884(IC50=7 μM),作为NUDT15抑制剂开发的起点。研究人员对TH884进行构效关系研究,通过对右侧苯环进行改造,最终得到先导化合物TH1760(IC50=25 nM)。在一系列与NUDT15序列或功能相似的蛋白中,TH1760对NUDT15具有非常好的选择性。TH1760可剂量依赖性提高NUDT15的热稳定性,提示其直接结合在NUDT15上。


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为了进一步阐明TH1760的作用机制,研究人员通过结构生物学获得了TH1760与NUDT15共晶结构。从复合物结构看,TH1760以6-thio-GMP相似的取向进入NUDT15的底物口袋。与6-thio-GMP的鸟嘌呤类似,TH1760的苯并恶唑酮与Gly137骨架形成直接氢键。TH1760苯并恶唑酮的羰基与Leu138骨架以及磺胺基团与Thr94之间还形成了另外2个氢键。酰胺的O和吲哚的N分别与Arg34和Glu88之间形成水分子介导的相互作用。与6-thio-GMP相比,TH1760与NUDT15共晶中这些增加的相互作用赋予TH1760与NUDT15之间的高度亲和力。


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然后,研究人员分别利用CETSA实验和DARTS实验证明TH1760可进入细胞,与胞内NUDT15结合。由于NUDT15活性丧失无明确的表型,但NUDT15控制巯嘌呤类药物的药效,因此,研究人员利用巯嘌呤类药物抑制白血病细胞增殖作为表型,并以此研究抑制细胞内NUDT15的作用。TH1760可通过抑制NUDT15,剂量依赖性增强AML细胞系NB4和HL-60对巯嘌呤类药物的敏感性,并且在一系列血液细胞系中得到确认。研究人员进一步研究了TH1760在克服巯嘌呤类药物耐药性方面的作用,发现TH1760可增强6-TG耐药性细胞系HCT116对6-TG的敏感性。在同源成纤维细胞BJ-hTERT(未转化)和BJ-RAS细胞(表达SV40大T抗原和HRAS)中,TH1760对BJ-RAS细胞的6-TG增敏作用强于BJ-hTERT细胞,提示TH1760可能会增大巯嘌呤类药物的治疗窗。


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最后,研究人员利用同位素标记的6-MP或未标记的6-TG处理HL-60细胞,通过测定DNA的放射性或直接测定6-thio-(d)GTP的含量,表明TH1760对巯嘌呤类药物的增敏作用是通过对NUDT15的抑制,导致巯嘌呤类活性代谢产物的增多所致,与DNA损伤及DNA损伤修复反应等增加一致。


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作为First-in-class选择性NUDT15抑制剂,TH1760有助于揭示NUDT15的生理功能。TH1760可通过抑制NUDT15,增强巯嘌呤类药物的药效,或者降低药物剂量,克服耐药性,其在AML上的临床应用值得进一步研究。


参考文献

1.    Zhang SM, Desroses M, Hagenkort A, et al. Development of a chemical probeagainst NUDT15. Nat Chem Biol. 2020;16(10):1120-1128.


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责任编辑:琉璃


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