JMC | 200万化合物库中虚拟筛选发现双靶点高选择性激酶抑制剂

背景

许多癌症的发生是由于染色体错配导致不完整基因的形成，从而引发的细胞周期紊乱造成的。这种功能失调与复杂的蛋白激酶网络有关，其在细胞的有丝分裂期表现出明显特征并能诱导不受控制的细胞生长。其中，极光激酶(Aurora)和polo样激酶(polo-like kinase, PLK)是高度保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，控制细胞有丝分裂中的G2/M 期。Aurora激酶具有调节中心体分离、成熟以及纺锤体装配的功能,并且在调节细胞周期G2/M期转变以及检测点(checkpoint)方面发挥重要的作用。Polo样激酶是一种重要的细胞周期调节分子,在多种肿瘤细胞中高表达且与肿瘤发病、治疗和预后密切相关。这两者都被认为是癌细胞增殖的关键靶标，并且Aurora对G2中PLK的初始活化至关重要。随着多靶点组合的新型药物设计策略的逐渐兴起，发现Aurora和PLK激酶的双重抑制剂能使其起到有效协同作用，临床使用中具有抑制肿瘤发展的巨大潜力。

虚拟筛选

四川省医学科学院师健友教授团队通过基于虚拟筛选方法获得有效抑制Aurora和PLK的潜在抑制剂。对ZINC化合物库的200万种化合物进行基于ADMET属性的筛选，初步评估后筛除了约80%药代动力学特征较差的化合物。用LibDock评分来作为表征化合物最佳结合位置的核心指标，从上一轮筛选中选出LibDock score>140的约2000个分子，分别和Aurora A（PDB:2DWB）和PLK1（PDB:2RKU）进行分子对接以预测化合物和两种激酶的结合模式。分析发现36个含6-氨基-2-萘甲酸结构的化合物与Aurora/PLK激酶的结合亲和力最强，化合物AAPK-25与Aurora A和Aurora B，PLK1和PLK2都能形成多个氢键或芳香键。采用类似的方法研究三期临床失败的Aurora A抑制剂MLN-8237,发现AAPK-25的对接结合能和结合模式相比前者有较大改善。基于虚筛结果，6-氨基-2萘甲酸类似物在整个化合物库中表现出最强的类药性，可作为潜在的Aurora/PLK双靶点抑制剂进行下一步实验验证。

图1. ADMET虚拟筛选得到6-氨基-2-萘甲酸类似物及其活性最好的AAPK-25与Aurora A/B及PLK1/2分子对接后结合模式

图片来源JMC

实验验证

MTT检测了所有36种化合物对不同Aurora和PLK高表达癌细胞系的生长抑制作用，AAPK-25对人结肠癌细胞系HCT-116的IC50达到了0.4μM。借助细胞周期激酶组的表达来确定AAPK-25靶向的特定激酶。使用KINOMEscan竞争实验在10μM浓度下对321种激酶进行分析并测定化合物与Aurora和PLK家族的结合亲和力。结果如预期的那样，AAPK-25在Aurora和PLK家族中具有高选择性，且与双靶点的调节因子ERK和PI3K激酶家族也有相互作用。在基因组水平上，使用基因芯片分析来评估AAPK-25相关基因和途径，分析表明AAPK-25涉及调控肿瘤增殖和转移的p53和MAPKs通路，数据与KINOMEscan结果有很好的相关性。结合激酶组和基因组分析，AAPK-25通过其对几种相关途径的影响对Aurora和PLK家族产生了特异性靶向。此外，通过一系列体外和体内研究验证，AAPK-25显着抑制结肠癌生长的发展并延长给药结束时的中位存活时间（p<0.05）。

图2. 通过微阵列分析得到的AAPK-25的激酶组谱和基因组谱

图片来源JMC

 图3. 双靶点抑制剂AA-PK25的体内体外验证

图片来源JMC

计算部分总结

靶点：

极光激酶（简称Aurora），Polo样激酶（简称PLK）

筛选化合物库：

ZINC约200万化合物库

计算方法：

基于药代动力学性质筛选(ADMET)，分子对接(Docking)

计算软件：

Discovery Studio 3.1 ADMET和CDOCKER模块

总结

本文利用计算机辅助药物虚拟筛选的手段，对ZINC 200万化合物库进行虚拟筛选，并通过分子对接发现了以6-氨基-2-萘甲酸结构为基础的36种Aurora/PLK潜在双靶点抑制剂，得到了结合亲和力最好的候选化合物（AAPK-25）。激酶组活性筛选显示AAPK-25对Aurora和PLK家族都具有显著选择性。通过基于微阵列的基因表达分析也揭示了相关的基因通路。这些研究表明AAPK-25在抗肿瘤化学治疗方面巨有很大的开发潜力。

参考文献：

Qi, B.; Zhong, L.; He, J.; Zhang, H.; Li, F.; Wang, T.; Zou, J.; Lin, Y.X.; Zhang, C.; Guo, X., et al. Discovery of Inhibitors of Aurora/PLK Targets as Anticancer Agents. Journal of medicinal chemistry 2019, 10.1021/acs.jmedchem.9b00353

往期文章精选