【First-in-class药设系列】抗白血病的NUDT15选择性抑制剂的设计

巯嘌呤类药物属于嘌呤类抗代谢药物，包括6-硫鸟嘌呤（6-TG）、6-巯基嘌呤（6-MP）和硫唑嘌呤（AZA）等，常用于白血病（如ALL和AML）和炎症性疾病（如克罗恩病等）的治疗。在细胞中，巯嘌呤类药物转化成活性代谢产物6-thio-(d)GTP，掺入到基因组原料中，引起无效DNA修复，最终导致细胞凋亡。NUDT15是NUDIX(Nucleosidediphosphate linked to moiety X, NUDIX)水解酶超家族成员，与NUDT1（MTH1）类似，但其对氧化型核苷酸的代谢较弱。

    NUDT15主要参与巯嘌呤类药物活性代谢产物6-thio-(d)GTP的代谢清除。有关NUDT15的文献主要集中在最近5年，目前对其生理功能仍知之甚少。临床研究发现NUDT15基因多态性（如R139C）与巯嘌呤类药物造血系统毒性升高显著相关。在细胞及小鼠体内，敲除NUDT15可有效提高6-thio-(d)GTP的浓度。在NUDT15敲除小鼠中，巯嘌呤类药物的给药剂量可降低20倍而不影响抗白血病疗效。这表明现有基于巯嘌呤的治疗方法可通过靶向NUDT15的6-thio-(d)GTP酶活性进行调控。因此，来自瑞典卡罗林斯卡医学院的研究人员开发了一种选择性NUDT15抑制剂TH1760，并系统评价了其与巯嘌呤类药物合用在AML中的潜在临床用途。

    首先，研究人员利用酶联孔雀石绿高通量筛选方法，对17946个化合物进行筛选，根据抑制活性、潜在的结合效率及成药性，选择37个候选化合物进行剂量效应验证，进而得到化合物TH884（IC50=7 μM），作为NUDT15抑制剂开发的起点。研究人员对TH884进行构效关系研究，通过对右侧苯环进行改造，最终得到先导化合物TH1760（IC50=25 nM）。在一系列与NUDT15序列或功能相似的蛋白中，TH1760对NUDT15具有非常好的选择性。TH1760可剂量依赖性提高NUDT15的热稳定性，提示其直接结合在NUDT15上。

为了进一步阐明TH1760的作用机制，研究人员通过结构生物学获得了TH1760与NUDT15共晶结构。从复合物结构看，TH1760以6-thio-GMP相似的取向进入NUDT15的底物口袋。与6-thio-GMP的鸟嘌呤类似，TH1760的苯并恶唑酮与Gly137骨架形成直接氢键。TH1760苯并恶唑酮的羰基与Leu138骨架以及磺胺基团与Thr94之间还形成了另外2个氢键。酰胺的O和吲哚的N分别与Arg34和Glu88之间形成水分子介导的相互作用。与6-thio-GMP相比，TH1760与NUDT15共晶中这些增加的相互作用赋予TH1760与NUDT15之间的高度亲和力。

然后，研究人员分别利用CETSA实验和DARTS实验证明TH1760可进入细胞，与胞内NUDT15结合。由于NUDT15活性丧失无明确的表型，但NUDT15控制巯嘌呤类药物的药效，因此，研究人员利用巯嘌呤类药物抑制白血病细胞增殖作为表型，并以此研究抑制细胞内NUDT15的作用。TH1760可通过抑制NUDT15，剂量依赖性增强AML细胞系NB4和HL-60对巯嘌呤类药物的敏感性，并且在一系列血液细胞系中得到确认。研究人员进一步研究了TH1760在克服巯嘌呤类药物耐药性方面的作用，发现TH1760可增强6-TG耐药性细胞系HCT116对6-TG的敏感性。在同源成纤维细胞BJ-hTERT（未转化）和BJ-RAS细胞（表达SV40大T抗原和HRAS）中，TH1760对BJ-RAS细胞的6-TG增敏作用强于BJ-hTERT细胞，提示TH1760可能会增大巯嘌呤类药物的治疗窗。

最后，研究人员利用同位素标记的6-MP或未标记的6-TG处理HL-60细胞，通过测定DNA的放射性或直接测定6-thio-(d)GTP的含量，表明TH1760对巯嘌呤类药物的增敏作用是通过对NUDT15的抑制，导致巯嘌呤类活性代谢产物的增多所致，与DNA损伤及DNA损伤修复反应等增加一致。

作为First-in-class选择性NUDT15抑制剂，TH1760有助于揭示NUDT15的生理功能。TH1760可通过抑制NUDT15，增强巯嘌呤类药物的药效，或者降低药物剂量，克服耐药性，其在AML上的临床应用值得进一步研究。

近期导读

参考文献

1.    Zhang SM, Desroses M, Hagenkort A, et al. Development of a chemical probeagainst NUDT15. Nat Chem Biol. 2020;16(10):1120-1128.