《ANGEW |上海药物所周兵/唐炜/许叶春团队设计“变构+竞争”双重作用模式的高选择性RIPK1抑制剂》

  • 来源专题:生物安全知识资源中心—领域情报网
  • 编译者: hujm
  • 发布时间:2021-12-20
  • 细胞程序性坏死(Necroptosis)是一种受控的细胞坏死方式,受体相互作用激酶1(RIPK1)在死亡受体介导的细胞程序性坏死通路中发挥关键作用。越来越多的研究表明,开发靶向RIPK1的高活性、高选择性抑制剂能够为炎症性疾病、神经系统疾病、肿瘤、脓毒血症等的治疗提供新途径。

      中国科学院上海药物研究所周兵、唐炜、许叶春研究团队,以处于临床Ⅱ期的RIPK1变构抑制剂GSK2982772为起始,并根据该小分子与靶蛋白中的结合模式特点,开展基于结构的合理药物设计,得到一类作用于双口袋的高活性、高选择性的RIPK1抑制剂。2021年12月16日,相关研究工作以“Potent and Selective RIPK1 Inhibitors Targeting Dual-Pockets for the Treatment of Systemic Inflammatory Response Syndrome and Sepsis”为题,在线发表于Angew. Chem. Int. Ed。

      在TNFα诱导的U937细胞坏死模型中,该类衍生物相比较于阳性GSK2982772,抑制活性均提升10倍以上, IC50值达0.5 nM以下。进一步的晶体学研究表明,20/21号化合物同时占据了变构口袋以及ATP结合口袋,合理解释了抑制活性的提升。

      在激酶谱的测试中,在1μM的测试浓度下,21号化合物表现出优异的激酶选择性。在小鼠药代动力学研究中,该化合物表现出良好的药代动力学性质,口服生物利用度>99%。在TNFα诱导的全身性炎症反应模型(SIRS)中,该化合物在保护小鼠体温方面显著优于阳性参考GSK2982772。在LPS诱导的脓毒血症模型中,21号化合物在恢复小鼠体温、存活率以及抑制小鼠体内细胞因子风暴等方面展现出明显优于阳性的药效。

      综上,该研究揭示一类具有新颖作用模式的高活性、高选择性RIPK1抑制剂,有望为全身炎症性疾病、神经系统疾病等的治疗提供新策略。

      上海药物所博士研究生杨向波、路慧敏以及上海药物所-南京中医药大学联合培养博士研究生谢航为文章的第一作者,周兵研究员、唐炜研究员以及苏海霞副研究员为本文的共同通讯作者。

      该工作得到了国家自然科学基金、上海市科委等项目的资助。

      全文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/anie.202114922

  • 原文来源:http://www.simm.ac.cn/web/xwzx/kydt/202112/t20211220_6313541.html
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    • 编译者:hujm
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    • 肺纤维化是一种由多种不明原因引起的、进展性的、以慢性非实质损伤和纤维化为特征的弥漫性肺部炎性疾病。特发性肺纤维化(IPF)是一种异常严重的间质性肺病,患者中位生存期约为2~3年,5年生存率低于30%。目前针对肺纤维化的上市药物仅有两个,即尼达尼布和吡非尼酮。其中,尼达尼布是多靶点激酶抑制剂,存在毒性大、副作用多等问题,吡非尼酮也存在机制不明等不足。此外,这两种药物仅能改善肺功能指标如FVC(用力肺活量)和DLCO(一氧化碳弥散量),治疗效果有限。   胶原作为信号分子在纤维化的发生发展以及反馈循环中扮演着重要角色。盘状结构域受体(DDRs)是一类独特的以细胞外基质胶原作为配体的激酶。近年来的研究表明,靶向胶原受体DDRs可能是治疗肺纤维化的新思路。   2021年11月17日,中国科学院上海药物研究所李佳和熊兵课题组在《药学学报》英文刊(Acta Pharmaceutica Sinica B)上联合发表了题为“Discovery of 4-cyclopropyl-3-(2-((1-cyclopropyl-1H-pyrazol-4-yl) amino) quinazolin-6-yl)-N-(3-(trifluoromethyl) phenyl) benzamides as potent discoidin domain receptor inhibitors for the treatment of idiopathic pulmonary fibrosis”的研究成果,介绍了DDRs抑制剂的最新研究进展。   该联合团队先期曾研发一类以DDRs抑制活性为主的多靶点激酶抑制剂,用于肺癌的治疗。然而,该类化合物对于安全性要求更高的纤维化、炎症等疾病并不合适。因此,团队采用计算机辅助、电子等排等药物化学优化方法对化合物结构进行了改造,在保留DDRs抑制活性的基础上,去除了PDGFR、FGFR、KDR等具有毒副作用的一些激酶抑制活性,最终发现了化合物47,其具有较好的口服吸收和较为理想的组织分布。在博来霉素诱导的小鼠肺纤维化模型上,该化合物显示出良好的抗纤维化效果,优于上市药物尼达尼布。是一个具有较高安全性,药效明确的候选药物,具有深入开发的前景。同时,该团队近期发表于《中国药理学报》的生物学研究(doi: 10.1038/s41401-021-00808-z)也表明DDRs是肺纤维化的潜力靶点,为后续的肺纤维化临床治疗提供了新的方向。   上海药物所博士生王琪、复旦大学/上海药物研究所联合培养博士唐弼熙及南京中医药大学博士生孙丹丹为本文的共同第一作者。上海药物所李佳研究员、熊兵研究员、陈丹琦副研究员为本文共同通讯作者。该工作得到国家自然基金委、国家重大科技专项、中国科学院先导专项、中国科学院战略重点研究计划、上海市科技发展基金等项目的资助。特别感谢上海药物所臧奕研究员在本项目中的工作与指导!特别感谢耿美玉研究员与艾菁研究员对于课题的鼎力支持。   文章链接:https://doi.org/10.1016/j.apsb.2021.11.012
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    •   补体是先天免疫系统的重要组成部分,对于防御微生物感染以及清除免疫复合物和受损细胞至关重要。补体激活过程除了产生攻膜复合物MAC(membrane-attack complex)杀灭病原菌发挥免疫防御之外,同时也产生多种活性物质发挥免疫调节功能,包括被称为过敏毒素的系列碱性肽,例如C3a和C5a。在功能上,过敏毒素既发挥固有免疫防御活性,又同时参与调控获得性免疫中T细胞活性等。   C3a和C5a是重要的炎症介质,两者虽然在氨基酸序列和结构上相似,但却分别特异性结合并激活细胞膜上不同的G蛋白偶联受体(G-protein coupled receptor, GPCR),C3aR和C5aR(C5aR1/ C5aR2)发挥生理功能。C3aR,C5aR1和C5aR2三种补体受体均属于Class A类GPCR,构成GPCR超家族中的补体受体亚家族。C5aR1(CD88)和C5aR2(C5L2或GPR77)为C5aR的两种亚型,二者均可被C5a以高亲和力结合并激活。C3aR和C5aR广泛分布在中性粒细胞和肥大细胞等免疫细胞中,其中,C3aR 与C5aR1 是典型的GPCR,被过敏毒素激活后通过活化G蛋白Gi/o介导下游信号通路,或者介导非G蛋白依赖的β-arrestin信号传导。作为趋化类GPCR,C5aR1与甲酰肽受体(FPRs)、趋化因子受体、白三烯B4受体(BLTRs)和前列腺素D2受体2 (CRTH2)等GPCR在进化上高度同源,共同构成一个Gi偶联的趋化因子受体亚家族,在固有免疫防御以及炎症发生和消除过程中发挥重要作用。与C3aR和C5aR1不同的是,C5aR2并不表现Gi蛋白偶联和信号活性,对β-arrestin信号存在天然的偏向性。   C3a轴和C5a轴信号传导构成补体系统免疫的重要组成部分,在炎症反应发生发展过程中扮演重要角色。过去近二十年的研究发现,补体系统的过度激活以及C3a轴和C5a轴信号通路异常与多种严重的急性或慢性炎症疾病的发生发展密切相关,包括败血症、类风湿性关节炎、哮喘和新冠病毒SARS-CoV-2引起的急性呼吸衰竭等。靶向调节C3a-C3aR和C5a-C5aR相互作用进而干预炎症反应的发生与进程展现出对这些疾病的巨大治疗潜力,同时也是科学研究和治疗炎症相关疾病药物开发的热点。2021年,FDA批准了首个靶向C5aR1的选择性抑制剂Avacopan用于抗中性粒细胞胞质自身抗体相关性血管炎。然而,过敏毒素C3a和C5a如何结合并激活其特异性受体介导信号传递的机制长期处于未知状态,严重制约了相关靶向药物发现进程。   2023年5月11日,中国科学院上海药物研究所徐华强研究员、庄友文副研究员在Nature Chemical Biology发表了最新的研究成果“Revealing the signaling of complement receptors C3aR and C5aR1 by anaphylatoxins”。本研究首先利用冷冻电镜技术方法获得了C3a结合C3aR,无配体结合的C3aR和C5a结合C5aR1分别偶联下游Gi蛋白异源三聚体的高分辨率复合体结构,结合大量突变研究结果,该团队解释了过敏毒素识别补体受体的独特作用机制,由配体结合口袋的拓扑特征介导的选择性机制,以及与趋化因子受体不同的作用模式等科学问题。   C3a 和C5a分别由77和74个氨基酸构成,且含三对分子内二硫键,该研究团队首先尝试了多种外源表达策略和优化手段,实现了具备高生物活性的重组过敏毒素蛋白分子的异源高表达和有效纯化。C3aR的第二个胞外环ECL2具有172个氨基酸,C3aR和C5aR1分别含有多个酪氨酸磺酸化翻译后修饰,这些结构特征赋予了该受体家族难表达、不稳定的特性。该研究团队前期经过大量摸索,包括标签筛选、组装方式、去垢剂优化等技术手段,最终克服了过敏毒素-补体受体复合物不稳定和冷冻电镜样品难进孔等技术难题,获得了分辨率为2.9-3.2埃的电镜结构。   研究发现,C3a 和C5a均以羧基端(C端)插入正构结合口袋的方式识别补体受体,这与趋化因子和甲酰肽等其他多肽趋化类炎症介质以氨基端(N端)插入的方式识别受体的模式不同(甲酰肽受体FPRs能模式化识别含甲酰化甲硫氨酸标记的甲酰肽,参与固有免疫防御和活性调节。研究团队前期报道了甲酰肽受体FPR1和FPR2在甲酰肽和其他多肽炎症分子等激活下的系列结构,揭示了FPRs识别甲酰肽等的保守分子模式和潜在的激活机理等1,2)。结构表明,C3a和C5a的C末端loop区均以“Hook”构象将之锚定到受体的正性结合口袋,并且构成与受体互作的主要界面。该团队通过结构分析,将C3a和C3aR的结合分为两个部分,分别为正性结合口袋和胞外结合域,即“两位点模型”。然而,C5a在此基础上多了与C5aR1的N末端的相互作用,即“三位点模型”,更类似于趋化因子与趋化因子受体的识别模式。C5a与C5aR1的N末端的直接相互作用促使了整个C5a的α螺旋核心区域相对于C3a在C3aR的结合模式偏转了约84°。相比之下,C5a在C5aR1的结合口袋大小比C3a在C3aR中的高出了447 埃3。   C3a和C5a的C端序列,尤其是C末端的精氨酸,对于两者激活各自受体至关重要3,4。该研究结合大量受体和配体的突变功能实验结果,发现C3a 和C5a的C末端精氨酸的侧链插入到补体受体TM6/7附近保守的带负电结合口袋,与受体的D7.35形成静电作用,并与Y6.51形成阳离子-π相互作用,这对补体受体的识别和激活至关重要。通过C3a和C5a的C末端氨基酸互换,发现C3a的C末端对完全激活C3aR具有不可替代性,而C5a的C末端替换为C3a相应的氨基酸(长度为5个氨基酸),依然可以完全激活C5aR1,将替换长度增加为10个氨基酸,则减弱1000倍的亲和力,揭示了C5aR1的胞外端对识别C5a极为关键。这些结果共同阐述了过敏毒素C3a 和C5a保守的分子识别模式,以及各自的受体选择性拓扑结构决定因素,为靶向补体受体C3aR和C5aR1的药物研发提供了结构和功能基础,同时,完善并深化了科学家对补体系统信号传导分子机制的认识。   本项研究中的冷冻电镜数据由中国科学院上海高峰电镜中心收集。上海药物所2018级博士生王悦、2019级硕士毕业生刘卫一为该论文的共同第一作者,庄友文副研究员和徐华强研究员为共同通讯作者,中国科学院上海药物所为第一完成单位。该工作获得了包括国家自然科学基金委、科技部重大专项、上海市市级科技重大专项、中国科学院特别助理研究项目、上海市自然科学基金面上项目、上海市启明星项目扬帆专项和中国科学院青促会等基金的资助。 全文链接:https://www.nature.com/articles/s41589-023-01339-w 参考文献: 1.Zhuang, Y. et al. Structure of formylpeptide receptor 2-Gi complex reveals insights into ligand recognition and signaling. Nature communications 11, 885, doi:10.1038/s41467-020-14728-9 (2020). 2.Zhuang, Y. et al. Molecular recognition of formylpeptides and diverse agonists by the formylpeptide receptors FPR1 and FPR2. Nature communications 13, 1054, doi:10.1038/s41467-022-28586-0 (2022). 3.Wilken, H.-C., Gotze, O., Werfel, T. & Zwirner, J. C3a (desArg) does not bind to and signal through the human C3a receptor. Immunology letters 67, 141-145 (1999). 4.Cain, S. A. & Monk, P. N. The orphan receptor C5L2 has high affinity binding sites for complement fragments C5a and C5a des-Arg(74). The Journal of biological chemistry 277, 7165-7169, doi:10.1074/jbc.C100714200 (2002).