Cell Metab: 研究发现别构调节PGAM1抑制非小细胞肺癌的新途径
2019-10-13 佚名 BioArt
磷酸甘油酸变位酶1（phosphoglycerate mutase 1， PGAM1）作为糖酵解通路的重要酶之一， 催化糖酵解通路中3-磷酸甘油酸（3-PG）转化生成2-磷酸甘油酸（2-PG），促进葡萄糖代谢和能量生成，通过调节3-PG与2-PG的转化平衡来影响其他代谢通路，参与细胞内生物大分子合成和维持氧化还原稳态，促进肿瘤细胞增殖。不仅如此，PGAM1还能不依赖于其代谢酶活性，与α-平滑肌肌动
磷酸甘油酸变位酶1（phosphoglycerate mutase 1， PGAM1）作为糖酵解通路的重要酶之一， 催化糖酵解通路中3-磷酸甘油酸（3-PG）转化生成2-磷酸甘油酸（2-PG），促进葡萄糖代谢和能量生成，通过调节3-PG与2-PG的转化平衡来影响其他代谢通路，参与细胞内生物大分子合成和维持氧化还原稳态，促进肿瘤细胞增殖。不仅如此，PGAM1还能不依赖于其代谢酶活性，与α-平滑肌肌动蛋白（α-smooth muscle actin， ACTA2）相互作用，促进肿瘤细胞转移。研究表明，PGAM1在多种恶性肿瘤包括非小细胞肺癌中普遍高表达，且与不良预后呈负相关，在肿瘤发生发展中都起着重要作用。因此，PGAM1可作为肿瘤代谢调控的新靶标，其抑制剂的研发受到越来越多的关注。
上海交通大学医学院药理学与化学生物学系沈瑛副研究员课题组联合复旦大学药学院周璐副教授和上海中医药大学陈红专教授在Cell Metabolism杂志发表长文 “A novel allosteric inhibitor of phosphoglycerate mutase 1 suppresses growth and metastasis of non-small cell lung cancer”，率先报道PGAM1新型别构抑制剂对非小细胞肺癌的增殖、耐药和转移等生物学活性的多重抑制作用，揭示通过别构调节PGAM1同时干预PGAM1的代谢酶活性和非代谢酶依赖的蛋白-蛋白相互作用的抗肿瘤药理学新机制。
研究团队通过共晶结构解析，对先导化合物优化改造，得到了一种新型的PGAM1别构抑制剂（命名为HKB99），具有高选择性、高活性、低毒性优势。药理学研究表明：HKB99巧妙避开了与3-PG直接竞争底物结合位点，与PGAM1邻近底物结合口袋的别构位点相互作用，抑制3-PG向2-PG转化，显着降低PGAM1代谢酶活性；同时，HKB99别构结合PGAM1，“锁住”了201-210段氨基酸的构象，大大削弱PGAM1与ACTA2相互作用，从而抑制非小细胞肺癌和分子靶向药物厄洛替尼（Erlotinib）耐药的肺癌细胞的生长和转移。进一步研究表明HKB99通过上调细胞中活性氧（ROS）水平，激活JNK/c-Jun信号通路诱导非小细胞肺癌细胞凋亡；使p-AKT和p-ERK激活减少，抑制非小细胞肺癌细胞的增殖。
该研究工作首次阐明别构调节PGAM1，能同时抑制PGAM1代谢酶活性和非代谢酶依赖的蛋白-蛋白相互作用，发挥抗肿瘤作用的分子机制；揭示PGAM1作为抗肿瘤药物新靶标，为靶向代谢酶的抗肿瘤药物设计和开发提供新思路。
该工作由上海交通大学、复旦大学和上海中医药大学合作完成。沈瑛副研究员、周璐副教授和陈红专教授为该论文共同通讯作者。复旦大学药学院2013级博士研究生黄科、上海交通大学医学院2018级博士研究生梁倩和2016级硕士研究生周烨为论文共同第一作者，其中梁倩由陈红专教授和沈瑛副研究员共同指导。来自上海市转化医学协同创新中心、中国科学院上海药物研究所、国家癌基因和相关基因重点实验室、教育部细胞凋亡和分化重点实验室等单位的多位专家参与了这项工作。HKB99已申请国家发明专利（PGAM1别构抑制剂HKB99在制备治疗肺腺癌药物中的应用，申请号：201910284333.4）。
近年来，肿瘤代谢研究的不断深入推动了靶向代谢酶的抗肿瘤新药研发热潮。历经多年探索，数十个代谢酶小分子抑制剂正处在临床前和临床研究。其中，靶向异柠檬酸脱氢酶（Isocitrate dehydrogenase 2， IDH2）突变体的抑制剂AG-221率先于2017年被美国FDA批准用于携带有IDH2突变的急性粒细胞白血病的治疗，代表了肿瘤代谢领域的首个突破。然而，回看领域的发展，除IDH1/2抑制剂外，大多数代谢酶抑制剂的治疗获益似乎并未达到人们的预期。剖析这一困境的根源，有多方面的因素，包括：1）代谢通路极其复杂，不同通路之间易相互代偿；2）代谢酶作为主要的靶点，对其功能的认识主要停留于代谢通路自身，对其在肿瘤中的作用认知还非常有限；3）肿瘤细胞具有显着的代谢异质性的特点，代谢抑制剂的研究还有待发现其敏感群体。上述认识提示了靶向代谢的抗肿瘤策略还有待更加深入的探索和理念的突破。
磷酸甘油酸变位酶1（phosphoglycerate mutase 1， PGAM1）是肿瘤细胞有氧糖酵解通路中的重要催化酶，催化3-磷酸甘油酸（3-phosphoglycerate， 3-PG）可逆地生成2-磷酸甘油酸（2-phosphoglycerate， 2-PG）。2012年，Emory大学Jing Chen实验室证实了PGAM1能同时调控有氧糖酵解、磷酸戊糖途径和丝氨酸合成通路，实现了对能量代谢和氨基酸、核苷等物质合成的多重调控作用，是肿瘤细胞糖代谢的关键节点，是极具潜力的抗肿瘤靶标。该工作还报道了的PGAM1酶活抑制剂PGMI-004A，证实其能显着抑制肿瘤生长，后续有多个PGAM1抑制剂被相继报道。近年来，随着对PGAM1功能认识的深入，人们发现PGAM1还具有不依赖代谢活性的新功能，中国科学院上海药物研究所耿美玉等揭示了PGAM1通过其201-210位氨基酸，直接与α-平滑肌肌动蛋白（α-smooth muscle actin， ACTA2）相互作用，促进肿瘤转移。这一认识，为PGAM1抑制剂的研发提出了新的挑战，提示仅仅抑制代谢酶的催化作用并不能完全遏制PGAM1在肿瘤中的功能。
上海交通大学医学院沈瑛副研究员、复旦大学药学院周璐副教授和上海中医药大学陈红专教授团队在Cell Metabolism上以长文（Article）形式在线发表题为“A novel allosteric inhibitor of phosphoglycerate mutase 1 suppresses growth and metastasis of non-small cell lung cancer”的研究论文，率先报道了新型PGAM1别构抑制剂HKB99，通过别构调节PGAM1，能够同时干预PGAM1的代谢酶活性和非代谢酶活性依赖的蛋白-蛋白相互作用，显着抑制非小细胞肺癌的生长和转移。
当前，别构调节已成为新药研发的重要手段，由于别构调节位点的多样性，别构调节分子具有特异性高、毒性低和不良反应少等优点。研究团队采用别构调节的策略，基于前期对第一代PGAM1抑制剂PGMI-004A的研究，解析了PGMI-004A与PGAM1的共晶复合物结构，通过基于结构的药物设计，优化得到新的PGAM1小分子抑制剂HKB99。分子对接发现，HKB99位于PGAM1邻近底物结合口袋的别构位点，避开了与3-PG直接竞争底物结合位点，使PGAM1构象发生改变，大大提升了对PGAM1代谢酶的抑制活性（IC50= 0.85 μM）。与PGMI-004A相比，HKB99对多种肺癌细胞的抑制活性更强，而对正常细胞的影响明显减弱，显示出其作为别构抑制剂高选择性、高活性、低毒性的显着优势。特别值得注意的是，HKB99的别构结合拉近了氨基酸残基R191与L208之间的距离，使二者间的氢键相互作用更强，“锁住”了201-210段氨基酸的构象，从而减弱了PGAM1与ACTA2之间相互作用。本研究通过多项实验证实，HKB99能阻碍肿瘤细胞中PGAM1与ACTA2的相互作用，从而影响细胞运动能力。据此，证实HKB99突破了第一代抑制剂PGMI-004A的局限，实现了对PGAM1非酶活功能的有效抑制。
HKB99独特的作用机制带来了显着的治疗获益。该研究团队成员证实HKB99对多种肺癌细胞的生长具有抑制作用（IC50~1 μM），但对正常细胞的生长抑制作用明显降低（IC50~70 μM），并能有效抑制肺癌转移。基于前期发现，该项目研究在多个体内体外实验模型中证实，HKB99也能够抑制肺癌临床用药厄洛替尼（Erlotinib）耐药的肺癌生长，提高厄洛替尼的敏感性。该工作系统证实了HKB99作为新一代的PGAM1抑制剂，在抑制肿瘤生长、转移和克服靶向药物耐药的多项治疗优势。进一步深入研究其分子作用机制，还发现HKB99显着提高细胞内活性氧（reactive oxygen species， ROS）水平，激活JNK/c-Jun信号通路，并抑制蛋白激酶B（protein kinase B， AKT）和细胞外调节蛋白激酶（extracellular regulated protein kinases， ERK）活性，从而抑制细胞增殖，诱导细胞凋亡。
该研究报道了新型PGAM1小分子别构抑制剂HKB99，证实了HKB99通过别构调节PGAM1，实现对PGAM1代谢酶活性和非代谢酶依赖的蛋白-蛋白相互作用的双重作用，从而全方位阻断PGAM1促进肿瘤生长和肿瘤转移的作用，并能克服靶向药物耐药。本研究的发现，为靶向PGAM1的抗肿瘤药物研发提供了全新的思路，奠定了重要的研究基础。值得注意的是，以往多项研究也提示，代谢酶的非酶活功能可能广泛存在，本研究也为代谢酶抑制剂的研发提供了重要的思路，有望催生靶向肿瘤代谢抗肿瘤药物研发的新突破。
原始出处：
KeHuang,QianLiang,YeZhou,et al.A Novel Allosteric Inhibitor of Phosphoglycerate Mutase 1 Suppresses Growth and Metastasis of Non-Small-Cell Lung CancerAuthor links open overlay panel.cell metab,Available online 10 October 2019
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