ERK1-ERK5双靶标抑制剂可克服特定肿瘤类型的补偿机制并诱导细胞死亡.docx

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1、摘要：ERK1和ERK5被认为在几种类型的癌症中具有关键作用。在某些情况下，ERK5可能会提供一条通用的旁路路径，该路径可在ERK1信号缺失的情况下使细胞继续增殖。因此，我们根据ERK1和ERK5的表达水平，从癌症基因组图谱(TCGA)中准确地对肿瘤类型进行了分类。我们提出了一种新的治疗策略，通过共同靶向ERK1和ERK5来克服特定肿瘤类型中的上述补偿机制。基于克服ERK5补偿机制的思想，发现22ac (ADTLEI1712)作为ERK1和ERK5的第一个选择性双重靶标抑制剂在体内和体外均具有有效的抗肿瘤作用，并且发现该化合物在MKN-74细胞中诱导细胞死亡并伴有自噬。因此，结果证明这种双靶标

2、抑制剂可作为新的候选药物，在某些肿瘤类型中可克服补偿机制。分子对接(Moleculardocking)是基于结构药物设计的核心模拟手段，依据受体与配体作用时的几何匹配和能量匹配过程，模拟受体配体相互作用，预测两者间最佳的结合模式和结合亲和力。采用分子对接模拟技术，科研人员可以进行基于结构的药物虚拟筛选，药物分子的结构改造，配体和受体相互作用的机理研究等工作，从而大大提高实验效率。在BIOVIA DiscoveryStudio这一分子模拟的综合平台中，分子对接程序包含Libdock、CDOCKER、Flexible Docking,这三种对接算法各有优势，能够满足广大科研工作者的多种应用需求，为

3、其提供配体受体间相互识别的“利器”。ERK1-ERK5双靶标抑制剂可克服特定肿瘤类型的补偿机制并诱导细胞死亡Ref： Journal of Medicinal Chemistry Published: February 20, 2020 IF=6.205链接:https:/dx.doi.org/10.1021/acs.jmedchem.9b01896一、研究背景丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)级联反应是一个高度保守的模块，参与关键的细胞功能。研究表明，靶向MAPK途径是许多肿瘤的有效治疗方法。MAPK家族由四个传统亚家族组成:细胞外信号调节激酶l/2(ERKl/2)、cJunN.末端激酶(JNK

4、) , p38和ERK5。ERK1和ERK2分别是由MAPK1和MAPK3基因编码的蛋白，它们的序列有84%相同。目前为止，关于ERK1和ERK2的激活，抑制和底物识别机制的研究并没有发现它们在生物学功能上的差异。事实上，ERK1和ERK2抑制剂在设计和发现上的任何差异都是重要因素，但新出现的共识是它们在功能上是多余的。ERK5也称为大MAP激酶1(BMK1),包含三磷酸腺昔(ATP)竞争性较链结合域，与ERK1类似。它们具有相似的结构域，尤其是ATP结合位点，ERKI和ERK5在生长因子信号转导方面具有相似的生物学功能。研究表明，ERK5可能会提供一条通用的旁路路径，该路径可在ERK1信号缺

5、失的情况下使细胞继续增殖，对结直肠癌具有治疗意义，这将为潜在的癌症治疗提供一种可能的途径以靶向补偿性途径。最近，有越来越多的临床证据表明ERK1或ERK5信号通路参与了肿瘤的发展和进展，但ERK1和ERK5抑制剂均未达到我们对临床前和临床试验的期望，这可能是由于ERK5对ERK1的补偿机制所致。为了解决这个问题，我们假设将所有的肿瘤类型分为三类:当ERK1和ERK5都上调时:使用双靶点抑制剂是合适的；（2）当ERK1和ERK5同时下调时，不宜使用双靶点抑制剂；（3）除上述两种情况外，是否适宜使用双靶点抑制剂还有待进一步研究。在此，我们认为ERK5可能提供了一种常见的旁路途径，在这类癌症（不限于

6、结直肠癌）中消除ERK1后使细胞增殖。如果可能的话，这些发现将为共同靶向ERKI和ERK5来克服特定类型癌症的这种代偿机制提供一种新的治疗策略。基于这一假设，我们设计并合成了一系列候选化合物，最终发现化合物22ac（ADTL-EI1712）是第一种选择性ERK1和ERK5的双靶选择性抑制剂，可诱导调控细胞的死亡，并可在体外和体内克服特定癌细胞的代偿机制。二、新型ERKLERK5双靶标抑制剂的筛选首先，根据ERK1和ERK5的mRNA表达水平对所有肿瘤类型进行准确分类，并以三种类型的肿瘤（AML、STAD和CESC）为例，绘制了相对于正常组织比较物的ERK1和ERK5表达水平。基于上述特定分类对

7、ERK1和ERK5进行了双靶药物设计。Multiple docking被广泛用于设计双靶分子，通过与连接和药效团方法的比较，可以发现一种新的骨架先导化合物。针对ATP竞争性的较链结合位点，我们通过结合位点相似性分析和多位点对接设计了第一个ERK1和ERK5的双靶点抑制剂。从蛋白数据库中提取ERK1和ERK5的结晶结构，PDB ID分别为4QTB和4B99,并且两者的整体同源性为60%。众所周知，相似的受体可能结合相似的配体，因此，这种整体序列的同源性更有可能共享一个共同的配体。在本研究中，采用了多种对接策略来发现ERK1和ERK5的抑制剂。首先，按照Lipinskis五原则对SPECS库中的化

8、合物粗筛共得到97360个小分子；其次，使用BIOVIA DiscoveryStudio Software （version 3.5）中的Libdock模块粗筛，并筛选出打分前1000的化合物；接下来，使用CDOCKER模块，以对1000化合物进行准确的对接分析；最后，对两组分子进行了重叠和对接模式分析，筛选出15个候选物。三、新型ERKLERK5双靶标抑制剂的设计通过生物活性测试化合物9被确定为靶向ERK1/5的先导化合物，并用于进一步的结构优化和结构活性关系分析。通过分析化合物9与ERK1和ERK5的结合模式可知，化合物9具有与原始晶体结构类似的对接模式，但仍需要一些氢键相互作用来稳定化合

9、物与ERKs的结合,如 ERK1 的 Metl25 和 ERK5 的 Metl40。进一步分析发现 ERK1 的 Ue48-Val56、SeU70Leul73、Cysl83-Glyl86 和 ERK5 的 IIe61-Val69 Serl86-Leul89 Glyl99-Gly202 形成疏水通道，而 9缺少相应的基团与之相互作用。因此，将化合物9中的六元环煌结构改为哌咤环结构，并通过在N原子上引入适当的取代基来增加侧链来填充疏水区域，设计并合成了一系列不同末端基团的衍生物21-22。随后测试活性和构效关系分析，获得化合物21e为代表性化合物，21e和前导化合物9与ERK1和ERK5的对接模式

10、分析表明，化合物荒基部分的修饰引起核心基团向较链区位移的变化，但仍无法在较链区和疏水通道中产生稳定的相互作用。因此，继续对化合物优化和改造以发现合适的基团以延伸靶分子，我们假设可以通过引入硫JK和麻基团可进一步增强与该区域的相互作用。另一方面，硫版或版基团的引入也可促进分子的延长，可是通过增强核心基团的位移并促进与钱链区氨基酸残基的相互作用，随后合成并评估了化合物22aa-aso四、先导化合物22ac与ERK1和ERK5的作用机制分析通过活性测试22ac对ERK1和ERK5的活性较好，并且在靶标水平上其IC50值分别为40.43 nM和64.50 nM,表明22ac是ERK1和ERK5的有效和

11、靶向双重抑制剂。在22ac-ERKl和22ac-ERK5的复合物中，22ac的邻氯苯甲酰胺部分位于ATP结合口袋的入口，2-氨基3竣基氨基喔吩骨架占据了喋吟结合位点。在22ac与ERK1的钱链区残基Aspl23、Leul24. Lysl31之间形成了氢键相互作用，在ERK5的较链区残基Metl40处发现1个氢键相互作用。与化合物9对接模式相比，22ac的核心结构增加了与Asp 123. ERK1的Met 125和ERK5的Met 140的氢键相互作用，这主要归因于邻氯苯硫麻基团的结构修饰。同时，在ERK1的Ile48、Val56、Cysl83和ERK5的Ile6K Val69 Seri86,

12、Leu 189组成的疏水袋中插入邻氯苯硫配基团。因此，化合物22ac可以与ERK1和ERK5结合，并且具有较好的活性。五、结论为了开发新型的ERK1-ERK5双重抑制剂。作者综合采用BIOVIA Discovery Studio中的Libdock和CDOCKER的方法设计、合成了一系列化合物，并对其体外和体内活性进行了评估，发现22ac(ADTL-EI1712),它可同时协同靶向ERK1和ERK5,作为一种新的治疗药物，诱导调控细胞死亡以克服特定类型癌症的代偿机制。此外，双靶点抑制剂22ac也被证明可以提高抗增殖作用。22ac也可作为一种有价值的化学探针或先导化合物，用于研究ERK1和ERK5

13、之间关系的生物学功能，验证这两个靶点的成药潜力，从而在未来发现更多新的抗肿瘤候选药物。因此，通过分子模拟的方法可以指导新型药物分子的设计和改造，大大加快新药设计的速度,节省创制新药工作的人力和物力。Rsluno。oua paz = biujon61 78136 184 186HingeERK1 YTQLQY工 GEGAYGMVSSAYDERK5 YEIIETIGNGAYGWSSARRHQTYCQRTLREIQILLR DLMETDLYKLLKSQWTNAKRTLRELKILKH DLMESDLHQ工工HSS55pi74108 138151DFGDFG200 202uD图1 ERK1和ERK5双靶点抑制剂的设计MaXFlow分子模拟与人工智能平台以“数据自由，模型自由”为理念，在结构模型与预测模型进行融合的基础上，实现模拟与AI需求的合并，为研发赋能。