【First-in-class药设系列】全新ATP-柠檬酸裂解酶变构抑制剂的发现

ATP-柠檬酸裂解酶（ATP-citrate lyase, ACLY）是一种将葡萄糖代谢和脂质代谢联系起来的中心代谢酶，可依赖ATP催化柠檬酸和辅酶A转变成草酰乙酸和乙酰辅酶A。乙酰辅酶A是内源性脂肪酸和胆固醇合成的关键原料，并参与蛋白质的异戊烯化修饰。ACLY在多种类型的肿瘤中上调或活化。抑制ACLY可在体外和体内诱导增殖阻滞。ACLY已成为血脂障碍和脂肪肝药物开发以及抗肿瘤药物开发的重要靶标。自1990年开始，陆续发现或开发了多种ACLY抑制剂，仅有Bempedoic acid进入临床III期，用于高胆固醇血症的治疗。近日，美国哥伦比亚大学的Tong Liang课题组在Nature上发表了一篇题为“An allosteric mechanism for potent inhibition of human ATP-citrate lyase”的文章。研究人员通过药物化学改造得到了活性更好的2-羟基-N-芳香基苯磺酰胺类ACLY抑制剂NDI-091143，可竞争性抑制底物柠檬酸的结合，K_i为7.0±0.8 nM，SPR实验测定的K_d为2.2±1.4 nM。TSA实验表明NDI-091143显著提高全长ACLY及其N端片段的热稳定性。更为重要的是，他们在电镜解析的结构中识别了小分子的位置和结合模式，给我们带来冲击，是否未来电镜结构中可以普遍克服分辨率低难以识别小分子的问题？

图1 NDI-091143是人ACLY的强效抑制剂

人ACLY由1101个氨基酸组成，其活性形式是480 KDa的同源四聚体。ACLY含有6个结构域，其N端结构（残基1-820）与配体柠檬酸或Mg-ADP的复合物晶体结构已有报道，但该N端结构（残基1-820）是单体形式，不能催化整个反应。目前，还没有全长ACLY的结构信息，其四聚体的结构仍是未知的。

为了研究上述抑制剂的分子机制，研究人员通过冷冻电镜研究了ACLY全长酶与NDI-091143和Mg-ATP复合物的结构，得到总体分辨率为3.67 Å的人ACLY同源四聚体结构以及分辨率为4.11 Å的四聚体两个N端片段结构，其中四聚体中心的分辨率达到3.2 Å。人ACLY四聚体是通过四个原聚体CS结构域的α5、α6、α13螺旋紧密结合形成。四个原聚体的N端片段位于外围。中心一侧的两个N端片段与另一侧的两个在空间上接近垂直。ACLY的CS结构域催化中间体citryl-CoA转变成OAA和乙酰辅酶A。D1026和H975残基是ACLY活性必需的。Citryl-CoA在一个原聚体N端柠檬酸和CoA结合结构域形成，然后转位到另一个原聚体CCLY活性位点完成催化反应。所以，ACLY仅在四聚体形式具有活性。

图2 人ACLY四聚体与NDI-091143和ADP复合物的结构

NDI-091143结合在柠檬酸结构域的疏水中心，与柠檬酸的结合位点不同。NDI-091143结合后导致大量的构象变化，使得Ile344的侧链移动约6 Å，正好位于柠檬酸结合位点，并将识别柠檬酸的Arg379的侧链推出了柠檬酸结合位点，其胍基移动了约12 Å。NDI-091143通过稳定柠檬酸结构域的构象变化，间接阻断柠檬酸的结合和识别，从而变构抑制ACLY催化。

在复合物中，NDI-091143以折叠构象存在，与柠檬酸结构域有广泛相互作用。酚羟基氧原子与Gly380的酰胺N形成氢键，磺酰胺的酰胺基团与Arg378的羰基形成氢键。磺酰胺的N原子与酚羟基的氧原子形成分子内氢键。三个苯环与ACLY形成广泛的范德华相互作用。

图3 抑制剂NDI-091143的结合模式

综上，研究人员发现了人ACLY的强效抑制剂，并用冷冻电镜研究了ACLY与NDI-091143及ADP的复合物结构，发现抑制剂位于靠近柠檬酸结合位点的变构疏水口袋内，导致柠檬酸结合位点构象变化，间接破坏了柠檬酸结合。该变构位点有望成为新ACLY抑制剂开发的重要靶点。

参考文献：

1.Burke, A.C. and M.W. Huff, ATP-citrate lyase: genetics, molecular biology and therapeutic target for dyslipidemia. Curr Opin Lipidol, 2017. 28(2): p. 193-200.

2.Li, J.J., et al., 2-hydroxy-N-arylbenzenesulfonamides as ATP-citrate lyase inhibitors. Bioorg Med Chem Lett, 2007. 17(11): p. 3208-11.

3.Wei, J., et al., An allosteric mechanism for potent inhibition of human ATP-citrate lyase. Nature, 2019.

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