線粒體擁有獨立的蛋白質翻譯和降解系統(tǒng)，其中人線粒體ClpP（HsClpP）是線粒體基質中高度保守的絲氨酸蛋白酶，參與維持線粒體內蛋白質穩(wěn)態(tài)。近年來，隨著對HsClpP生物學功能研究的不斷深入，越來越多的證據(jù)表明HsClpP在多種腫瘤的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用。肺鱗癌患者約占非小細胞肺癌患者人數(shù)的30%，目前肺鱗癌的靶向治療效果差，免疫治療策略的總體響應率較低，亟需新靶點新策略拓寬新藥發(fā)現(xiàn)研究。
HsClpP激動劑是目前靶向ClpP抗腫瘤的重要途徑。由于ClpP蛋白在人和細菌中高度保守，如何實現(xiàn)選擇性激動HsClpP，而不影響人體共生菌ClpP功能，保證肺鱗癌治療的安全性，是該研究方向上的挑戰(zhàn)之一。目前已報導的HsClpP激動劑均無選擇性或者缺乏選擇性研究，酶學上有選擇性的抑制劑（D9）沒有細胞活性。因此，目前尚無HsClpP選擇性激動抗腫瘤的報導。
中國科學院上海藥物研究所楊財廣課題組長期在ClpP蛋白酶的結構、作用機制以及小分子激動劑等方面開展研究工作，取得了系列進展（ACS Chem. Biol., 2016, 11, 1964; Cell Chem. Biol., 2022, 29, 1396; Nat. Commun., 2022, 13, 6909）。2023年11月3日，楊財廣課題組在Nature Communications在線發(fā)表題為 “Selective activator of human ClpP triggers cell cycle arrest to inhibit lung squamous cell carcinoma”的研究論文，為設計HsClpP選擇性激動劑提供新策略。
本研究利用高通量篩選發(fā)現(xiàn)趨化因子受體CCR1拮抗劑BX471可以選擇性激動HsClpP。結構優(yōu)化之后獲得一類具有柔性骨架的HsClpP激動劑，其中化合物ZK53能夠結合HsClpP并激動其酶學活性。HsClpP/ZK53的復合物晶體結構揭示了小分子的作用機制。與已報導的大多具有剛性骨架結構的HsClpP激動劑不同，ZK53不具有ONC201的多環(huán)并環(huán)結構，也沒有ADEP4中復雜的環(huán)肽類骨架，而是以結構簡單的柔性六元環(huán)為基礎，支撐兩部分“邊臂”與HsClpP蛋白結合。在選擇性上，ZK53不結合也不激動金黃色葡萄球菌SaClpP、大腸桿菌EcClpP和羅伊斯乳桿菌LrClpP，不影響腸道菌群的體外生長。通過序列比對與蛋白突變實驗發(fā)現(xiàn)，選擇性產(chǎn)生的原理是由于HsClpP中146位色氨酸與ZK53的3,5-二氟苯基產(chǎn)生了π-π堆積作用，穩(wěn)定了ZK53與HsClpP的結合，而細菌蛋白中該位置為體積較小的氨基酸，削弱了該作用，進而降低了ZK53與細菌ClpP的結合能力。ZK53的發(fā)現(xiàn)為設計HsClpP選擇性激動劑提供了一種新的機制和策略。
此外，該研究團隊借助遺傳學手段，通過體內外實驗證明HsClpP功能的激活在肺鱗癌中具有抗腫瘤活性。ZK53通過靶向激動肺鱗癌細胞內的HsClpP，促進線粒體呼吸鏈復合物蛋白降解，進而影響線粒體膜電位、ROS水平、mtDNA拷貝數(shù)、氧化磷酸化及線粒體形態(tài)，最終干擾線粒體正常功能。ZK53抑制肺鱗癌細胞增殖，誘導細胞周期阻滯和細胞凋亡。在動物水平上，ZK53抑制肺鱗癌細胞系裸鼠移植瘤和KrasLSL-G12D/+；Lkb1fl/fl（KL）自發(fā)肺鱗癌模型中腫瘤的增殖和發(fā)展。
該研究開發(fā)了具有新穎骨架結構的HsClpP選擇性小分子激動劑，概念上驗證了針對不同物種同源性較強的ClpP蛋白酶可以實現(xiàn)選擇性激活，為ClpP選擇性激動劑的設計提供新方法。此外，開展了通過激動HsClpP抑制肺鱗癌發(fā)生發(fā)展的抗腫瘤活性研究，為肺鱗癌的治療提供有前景的策略。
上海藥物所博士研究生周琳琳、副研究員張濤博士，中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心薛云博士為論文的共同第一作者，中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心季紅斌研究員，上海藥物所楊財廣研究員為共同通訊作者。該研究得到上海藥物所周虎課題組、丁侃課題組，復旦大學甘建華課題組，上海同步輻射光源和先導專項化合物資源庫的支持，并獲得國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金和中國科學院青年創(chuàng)新促進會的資助。
人線粒體ClpP選擇性激動劑抗肺鱗癌研究
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-42784-4（供稿部門：楊財廣課題組）
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