【中药/天然分子设计】天然产物来源“分子胶水”的设计及功能研究

随着化学生物学、药物化学、蛋白质组学等学科的发展，许多传统意义上不可成药(undruggable)的蛋白已逐渐成为药物研发的新兴领域。在这个过程中，以PROTAC (proteolysis-targeting chimera)为代表的分子胶水(molecular glue)技术发挥了重要的作用。分子胶水可同时结合多个蛋白，拉近不同蛋白的空间距离，进而诱导这些原本不存在“底物-酶”关系的蛋白发生相互作用，进而调节蛋白的功能，并影响下游通路。然而，目前可作为分子胶水的小分子化合物种类很少，而且多为偶然发现，限制了该类化合物的开发。

    天然产物一直以来都是新药研发的重要来源。除了独特的骨架多样性之外，天然产物往往含有丰富的官能团，为同时结合多种蛋白提供了可能。因此，来自加州大学伯克利分校的研究人员提出：具有多亲电片段的化合可能是分子胶水类分子的重要来源，它们可同时结合多个蛋白，促进蛋白之间的相互作用。基于上述假设，他们选取了从链霉菌中分离得到的天然产物Manumycin类化合物作为研究对象（Manumycin类天然产物属于聚酮类化合物，其结构片段中含有多个不饱和酰胺、环氧乙烷等亲电片段），发现了其分子胶水作用及在抗肿瘤中的活性功能。

    首先，研究人员对Manumycin家族的代表性分子asukamycin (1)进行了细胞水平的活性筛选，发现该化合物对三阴性乳腺癌细胞具有良好的抗肿瘤作用。随后，利用化学蛋白质组学的方法，研究人员发现：与对照组相比，加药孵育3小时后，化合物与UBR7中C374的共价结合显著增加，提示UBR7可能是该化合物的主要作用靶点之一。随后，通过在肿瘤细胞中沉默和过表达UBR7，研究人员进一步证实了上述猜想。

    虽然有研究认为，UBR7是一种E3泛素化连接酶，可泛素化地降解组蛋白，但该蛋白的生理、生化功能研究仍十分不充分，研究人员无法构建其体外蛋白水平的测试模型。考虑到化合物1具有多个缺电官能团，研究人员测试了UBR7和其它蛋白的相互作用情况。与对照组相比，在与化合物1孵育后，UBR7与PRKDC、TP53等蛋白的相互作用显著增强，但仅当TP53被沉默之后，化合物1的抗肿瘤活性发生了大幅下降。上述实验提示，化合物1可能促进了UBR7与TP53的相互作用，进而发挥抗肿瘤作用。这个观点在WB实验中得到了佐证：研究者对UBR7富集的蛋白进行了免疫印迹研究，在此过程中，研究人员意外地发现，除TP53的条带外，还有一个未知的条带位于100~140Kda的区间。通过双色WB实验和蛋白质谱分析，证实了该条带同时含有UBR7和TP53两种蛋白，表明化合物1可同时与UBR7和TP53结合，形成UBR7-化合物-TP53三元复合物。

    TP53是著名的肿瘤抑制因子。研究团队测试了化合物1对TP53蛋白热稳定性的促进作用。实验结果表明，化合物1可促进TP53的热稳定性，且与单纯的TP53相比，UBR7-化合物-TP53三元复合物的高分子量条带具有更佳的热稳定性；敲低UBR7则会降低化合物对TP53的热稳定性促进作用，表明UBR7可促进化合物1与TP53的结合。

    化合物-UBR7可在转录水平上激活TP53，化合物可增强TP53与其DNA共有序列的结合；沉默UBR7能减弱TP53靶基因TP53AIP1的mRNA水平；化合物可通过UBR7的C374增强p53报告基因的活性。同位素标记的蛋白质组学结果结合KEGG分析结果显示，在给药前后，TP53通路的关键蛋白发生了显著改变。除了乳腺癌细胞外，化合物1也可通过调节TP53抑制结肠癌细胞HCT116的增殖。

    最后，研究团队对化合物1的结构类似物Manumycins A和D (2和3)进行了研究。结果表明，化合物2具有与化合物1类似的作用，而当化合物2中的环氧乙烷片段被打开(即化合物3)后，化合物3仅保留了对UBR7的结合作用，而失去了对TP53的结合。上述结果表明，环氧乙烷片段对于该类化合物与TP53的结合至关重要。

    天然产物是药物研发结构多样性的重要来源，其往往含有多功能团并作用于多种靶标，和“分子胶水”的概念有较好的重合，因此，利用天然产物中的现有基团改造获得“分子胶水”是未来此类药物研发的重要源头。

参考文献

Isobe Y, Okumura M, McGregor LM, et al. Manumycin polyketides act as molecular glues between UBR7 and P53. Nat Chem Biol, 2020, 16: 1189-1198

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