靶向Pim蛋白激酶抗腫瘤藥物的研究進(jìn)展及設(shè)想

劉浩秋

1.四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物技術(shù)系，成都 610065；2.四川大學(xué)華西醫(yī)院生物治療國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065

靶向Pim蛋白激酶抗腫瘤藥物的研究進(jìn)展及設(shè)想

劉浩秋1，2

1.四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物技術(shù)系，成都 610065；2.四川大學(xué)華西醫(yī)院生物治療國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065

Pim原癌基因編碼的絲/蘇氨酸蛋白激酶在惡性血液病和實(shí)體瘤的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中普遍過(guò)度表達(dá)，并被證明在細(xì)胞的增殖、分化、新陳代謝中起到重要調(diào)控作用。為了弄清Pim蛋白激酶的特性，以指導(dǎo)合成高成藥性小分析靶向抑制劑，文章回顧了近年來(lái)國(guó)外在Pim蛋白激酶領(lǐng)域最新研究成果，著重分析了Pim激酶在分子層面上的功能和作用機(jī)制，以及Pim蛋白激酶抑制劑開(kāi)發(fā)的前提條件，包括已獲得的Pim蛋白三維晶體結(jié)構(gòu)和Pim基因完整序列，提出了通過(guò)基于生物信息學(xué)、藥理學(xué)的靶向小分子藥物的設(shè)計(jì)、合成和篩選，人工合成Pim蛋白激酶抑制劑，研發(fā)新型抗腫瘤藥物的思路。

Pim；小分子藥物設(shè)計(jì)；蛋白激酶抑制劑

在不到20年的時(shí)間內(nèi)，我國(guó)惡性腫瘤在死亡原因中所占的比例已經(jīng)從12.6%上升至17.9%，每年新增患者數(shù)達(dá)170萬(wàn)，另有130余萬(wàn)人死于癌癥[1]。腫瘤化療技術(shù)的強(qiáng)毒副作用、耐藥性等問(wèn)題目前依然是臨床腫瘤藥物治療中的主要難題。

闡明腫瘤疾病的分子機(jī)制，理解腫瘤細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，有益于設(shè)計(jì)靶向性?xún)?yōu)良的抗腫瘤藥物。近幾年來(lái)，隨著生命科學(xué)研究的迅猛發(fā)展，基于腫瘤特異性分子設(shè)計(jì)的靶向抗腫瘤小分子合成藥物越來(lái)越受到科學(xué)界的關(guān)注，其中以蛋白激酶為目的靶點(diǎn)的抗腫瘤小分子合成已成為全球的研究熱點(diǎn)[2]。

1 Pim蛋白激酶研究進(jìn)展

Pim激酶是一種絲/蘇氨酸蛋白激酶，屬于與鈣/鈣調(diào)蛋白調(diào)節(jié)激酶相關(guān)的蛋白激酶家族，已發(fā)現(xiàn)Pim-1、Pim-2 和Pim-3三個(gè)成員。在ATP結(jié)合區(qū)域，Pim激酶家族的三個(gè)成員有60～70%的序列是一致的，它們都是原癌基因pim編碼。

Pim最早是在莫洛尼小鼠白血病病毒（MoMuLV）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中被發(fā)現(xiàn)[3]，其后被證實(shí)與細(xì)胞增殖、分化、凋亡以及腫瘤發(fā)生聯(lián)系緊密（圖1）。Aho等[4]研究發(fā)現(xiàn)Pim-1激酶可磷酸化凋亡蛋白Bad的第112個(gè)絲氨酸，使其喪失活性，進(jìn)而保護(hù)細(xì)胞不受Bad凋亡效應(yīng)的影響。

Pim-1不僅有抑制凋亡的功能，研究還發(fā)現(xiàn)Pim-1激酶能夠加速細(xì)胞周期的進(jìn)程。Pim-2蛋白由于與Pim-1具有高度的同源性而具有相似功能。Bin等[5]研究發(fā)現(xiàn)，Pim-2的加強(qiáng)表達(dá)雖不能直接調(diào)控Bcl-2、Bcl-xl、Bad蛋白的表達(dá)，但也能使凋亡蛋白Bad第l12個(gè)絲氨酸磷酸化，阻礙Bad-Bcl-Xl的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，從而逆轉(zhuǎn)Bad誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡。Pim家族的新成員Pim-3研究成果相對(duì)較少，但其在功能上也與Pim-1、Pim-2相似，可以磷酸化非常多的特異性底物，在細(xì)胞周期和細(xì)胞凋亡進(jìn)程中具有重要調(diào)控作用[6]，可以阻礙胰腺瘤細(xì)胞的凋亡，促進(jìn)胰腺腫瘤的形成[7]。

Pim-1、Pim-2和Pim-3已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)在很多實(shí)體瘤和惡性血液病中過(guò)度表達(dá)。Xu等[8]研究發(fā)現(xiàn)，Pim-1可作為一種新的生物標(biāo)記預(yù)測(cè)前列腺癌的進(jìn)程；Dai等[9]研究發(fā)現(xiàn)，前列腺癌細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中Pim-2過(guò)度表達(dá)，此外Pim-1、Pim-2激酶與酪氨酸激酶抑制劑的耐藥性有關(guān)；Deneen[10]和Fuji[11]分別報(bào)道了Pim-3在人類(lèi)肝癌細(xì)胞和肝癌細(xì)胞組織中過(guò)度表達(dá)，它可以促使Ewing家族腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)；Li等[7]發(fā)現(xiàn)Pim-3能夠在人類(lèi)胰腺癌和結(jié)腸癌中過(guò)度表達(dá)；Zheng 等[12]通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，Pim-3表達(dá)可用于預(yù)測(cè)胃癌患者的預(yù)后。

上述研究顯示，Pim激酶可能成為相關(guān)抗腫瘤藥物的重要靶標(biāo)，Pim激酶小分子抑制劑在癌癥治療方面具有一定價(jià)值。

圖1 Pim蛋白激酶功能

2 Pim蛋白激酶抑制劑研究進(jìn)展

目前，只有少數(shù)選擇性Pim激酶抑制劑被報(bào)道，其主要以Pim-1和Pim-2為靶標(biāo)。這些Pim激酶抑制劑具有截然不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)，且酶抑制活性一般在兩位數(shù)的納摩級(jí)水平，如十字孢堿有機(jī)銣絡(luò)合物[13-14]、取代吡啶酮類(lèi)化合物[15]、黃酮類(lèi)化合物[7，16]和喹啉二酮類(lèi)化合物[17]。雖然前人已經(jīng)在該領(lǐng)域進(jìn)行了一系列的研究，但發(fā)展一類(lèi)具有新結(jié)構(gòu)的選擇性Pim激酶抑制劑同時(shí)針對(duì)Pim-1、Pim-2和Pim-3靶標(biāo)仍然是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作，而且越來(lái)越受到人們的關(guān)注，也正是由于Pim激酶作為關(guān)鍵的調(diào)節(jié)因素在腫瘤形成的各個(gè)方面都發(fā)揮重要作用，所以提高Pim激酶抑制劑的選擇性不僅僅是基礎(chǔ)研究的需要，更是發(fā)展新的抗腫瘤試劑的需要。在美國(guó)已有數(shù)家公司和研究所進(jìn)行Pim抑制劑的研究，其中有的已經(jīng)進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段，如咪唑并噠嗪類(lèi)衍生物SGI-1776（SuperGen）[18]，即是Pim激酶的強(qiáng)抑制劑，正在研究用于治療激素難治性和多西紫杉醇難治性前列腺癌。

Pim-1的基因序列已經(jīng)測(cè)定，其蛋白分子結(jié)構(gòu)也已經(jīng)發(fā)表（PDB蛋白數(shù)據(jù)庫(kù)中編號(hào)：1XWS）。對(duì)Pim激酶晶體結(jié)構(gòu)中的結(jié)合位點(diǎn)以及其與底物的相互作用進(jìn)行細(xì)致分析，弄清結(jié)合位點(diǎn)的相關(guān)屬性，明確關(guān)鍵結(jié)合殘基以及可能的結(jié)合區(qū)域，將促進(jìn)開(kāi)展基于結(jié)構(gòu)的小分子藥物設(shè)計(jì)或者結(jié)構(gòu)改造的研究。一些課題組已經(jīng)通過(guò)Pim-1的晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了具有全新結(jié)構(gòu)的選擇性Pim激酶抑制劑[13-14，19-20]。Pim激酶具有唯一獨(dú)特的結(jié)構(gòu)（圖2），在Pim激酶鉸鏈區(qū)域有一個(gè)新構(gòu)架，其中包含一個(gè)ATP結(jié)合位點(diǎn)和一個(gè)額外的氨基酸殘基，這些在其他蛋白激酶結(jié)構(gòu)中未被發(fā)現(xiàn)，這個(gè)殘基是脯氨酸-123，由于缺乏氫鍵供體，它不能夠與ATP形成氫鍵。Pim激酶結(jié)構(gòu)的這個(gè)特征決定了其與Pim激酶抑制劑的結(jié)合模式[20]。

圖2 Pim-1蛋白激酶晶體結(jié)構(gòu)

3 進(jìn)一步研究的設(shè)計(jì)

當(dāng)前抗腫瘤藥物的較強(qiáng)毒副作用以及耐藥性問(wèn)題很難滿(mǎn)足臨床腫瘤治療的要求。腫瘤疾病的分子機(jī)制和細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的最新成果顯示，Pim蛋白激酶與細(xì)胞增殖[21]、分化、凋亡、腫瘤發(fā)生之間關(guān)系緊密[22]，并在很多實(shí)體瘤和惡性血液病[23-24]中過(guò)度表達(dá)，因此，可以基于Pim蛋白激酶晶體結(jié)構(gòu)通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)小分子抑制劑，用于抗腫瘤活性的篩選[25-26]。以蛋白激酶為目標(biāo)靶點(diǎn)的抗腫瘤藥物合成已經(jīng)成為國(guó)際熱點(diǎn)，但目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有任何一家制藥公司或科研院所發(fā)表關(guān)于Pim激酶抑制劑用于癌癥治療的報(bào)道。

本研究基于文獻(xiàn)整合與理論分析，結(jié)合前期科研工作基礎(chǔ)及四川大學(xué)華西醫(yī)院生物治療國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室硬件條件，對(duì)靶點(diǎn)Pim蛋白激酶進(jìn)行合理靶向小分子藥物設(shè)計(jì)，結(jié)合Pim-1蛋白晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)接研究，在藥效團(tuán)模型和傳統(tǒng)藥物化學(xué)設(shè)計(jì)思路指導(dǎo)下，優(yōu)選化合物并進(jìn)行化學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，構(gòu)建新一類(lèi)小分子化合物，有效靶向抑制Pim蛋白激酶，從而達(dá)到抑制腫瘤細(xì)胞增殖的作用。通過(guò)對(duì)候選化合物庫(kù)進(jìn)行生物信息學(xué)和化學(xué)信息學(xué)的虛擬篩選，系統(tǒng)地對(duì)體外酶水平和細(xì)胞水平進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用統(tǒng)計(jì)學(xué)工具系統(tǒng)回歸分析所得數(shù)據(jù)，進(jìn)一步研究構(gòu)效關(guān)系，提煉3D藥效團(tuán)，最終篩選出1～2個(gè)成藥性高的化合物，期望通過(guò)已有的蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出有活性的抗腫瘤化合物。

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The research progress and design of the anticancer drugs targeting the Pim protein kinases

LIU Hao-qiu1,2
1.Department of Biotechnology,College of Life Science of Sichuan University,Chengdu 610065,China;2.National Key Laboratory of Biological Treatment of West China Hospital in Sichuan University,Chengdu 610065,China

The serine/theronine protein kinases encoded by proto-oncogene Pim are overexpressed in the genesis of a range of hematological malignancies and solid cancers,and were proved to have played a significant regulatory role in the cell proliferation,differentiation and metabolism.In order to clarify the characters of Pim protein kinases to guide the synthesis of the anti-tumor molecular drugs with potentdruggability,this review summarized the latest research results in recent years abroad in this field and analyzed the functions and biochemical mechanism of Pim protein kinases in the molecular level.Furthermore,this review focused on the prerequisite of the development of Pim protein kinase inhibitors,especially the three-dimensional crystal structures and complete Pim gene sequences,proposing a promising molecular drug design for the synthesis of Pim protein kinase inhibitors through the pharmacological method of targeting,synthesis and screening.

Pim;Micro-molecular drug design;Protein kinase inhibitors

R979.1

A

1674-4721（2014）010（a）-0191-03

2014-08-22本文編輯：祁海文）

四川大學(xué)“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”校級(jí)項(xiàng)目（20141006）