以BCL-2蛋白家族為靶點的抗腫瘤藥物設計Bcl-2FamilyProteinsasTherapeuticTargetsforanticancerdrugdesignDate:2021-05-231OutlineBackgroundHallmarksofCancerTheBcl-2ProteinFamilyModelofBH3mimetic-inducedapoptosisStructurebasisfordesigningligandsSmallmoleculeinhibitorsPeptidomimeticapproach—mimicthea-helixoftheBH3peptidesABT-737,ABT-263andtheiranalogspan-activeinhibitorofBcl-2SelectiveBcl-2inhibitorsselectiveBCL-xLinhibitorSelectiveMcl-1inhibitors2,Cell,144(5):646-674HallmarksofCancer3ExtrinsicandintrinsicpathwaysofapoptosisExpertOpin.Ther.Patents(2021),22(1):37-554TheBcl-2ProteinFamilyTheBcl-2FamilyProteinswithanti-orpro-apoptoticfunction

Characteristics:(Often)aC-terminaltransmembranedomain.Bcl-2homology(BH)domains.Bcl-2proteinsformhomo-andheterodimersviatheirBH-domainsBH1,BH2: PredictedtoformionchannelsBH3: The〞suicidedomain〞–regulatescelldeathBH4: Thoughttoconferanti-apoptoticactivity.(Chan&Yu.(2004).Clin.Exp.Pharmacol.Physiol.31:119).Chipuk,J.E，MolecularCell，2010，37(3):299-3105ElevatedofBcl-2orBcl-xLexpressionSeminarsinOncology,2004,30(Supplement16):133-142.6ModelofBH3mimetic-inducedapoptosis一、直接模型：

抑制劑代替促凋亡蛋白BAK/BAX，與抗凋亡蛋白Bcl-2/Bcl-xl結合，從而抑制后者，促進細胞凋亡二、間接模型

抑制劑替代特定的激活因子BH3-only蛋白，與抗調亡蛋白如BCL-2/BCL-xL結合，游離出來的BH3-only蛋白，激活BAK/BAX。NatureReviewsDrugDiscovery2021，7(12):989-1000ClinicalCancerResearch2021，15(4):1126-1132.Oncogene，2021，27(S1):S149-S157.7Structurebasisfordesigningligands8ThemolecularbasisforheterodimerformationHeterodimerizationbetweenmembersoftheBcl-2familyofproteinsisakeyeventintheregulationofapoptosispro-apoptoticprotein(Bak)adoptsanamphipathica-helix(BH3domain)thatinteractswithanti-apoptoticproteins(Bcl-xl)throughhydrophobicandelectrostaticinteractionsinthehydrophobiccleft.9抗凋亡蛋白(BCL-2)是通過其外表疏水凹槽與促凋亡類(BIM)的BH3區域結合發生相互作用，調節細胞正常的生理凋亡。BCL-2familyantagonistsforcancertherapy.NatureReviewsDrugDiscovery2021，7(12):989-1000OverlayofBCL-XL–ABT-737complexwithBCL-xlL–BIMBH3complexBcl-2andBIMBH310Bcl-xLandBak-BH3SurfacerepresentationofthebindingpocketofBcl-xLboundtotheBakpeptide11."StructureofBcl-xL-BakPeptideComplex:RecognitionBetweenRegulatorsofApoptosis."Science1997，275(5302):983-986.Bcl-xL----BimBH3Mcl-1—BimBH3Bcl-xL/BadProteinScience,2000,9:2528–2534125個疏水中心

(P1,P2,P3,P4和P5)4個氫鍵供體(D1,D2,D3和D4)2個氫鍵受體(A1andA2)Bcl-2活性部位分布圖在受體D1、D2、D3、A1位點出現比較頻繁，與受體形成靜電作用能提高親和力與特異性D4，A2位點出現頻率較小，能量奉獻不大BMC，2007，15(19):6407-6417SmallmoleculeinhibitorsPeptidomimeticapproach—mimicthea-helixoftheBH3peptidesABT-737,ABT-263andtheiranalogspan-activeinhibitorofBcl-2SelectiveBcl-2inhibitorsselectiveBCL-xLinhibitorSelectiveMcl-1inhibitors14BakPeptidomimeticapproach—mimicthea-helixoftheBH3peptides

JACS,2005,127(29):10191-10196JACS,2005,127(15):5,463-546815JBiolChem.2021,18;286(11):9382–9392OrganicLetters,2007,9(19):3733-3736.BimBH3a-helixJ.Med.Chem.2021,55,10735?1074116ABT-737,ABT-263andtheiranalogs17SARbyNMR與ABT-737系列的發現3.Screenforsecondligand2D1H-15NHSQC譜中蛋白的H1或N15化學位移變化。18Science.1996Nov29;274(5292):1531-4.4.基于上述三維結構設計恰當的連接橋將兩個片段連接起來，使得到的分子和靶蛋白結合時保持各自獨立時的結合位置及其空間取向，最終篩選得到一個高親和性的配體.特點：首先篩選結合于生物靶分子亞活性位點的低親和性配體，然后通過優化和組裝便得到所期望的高親和性配體。優點：NMR實驗方法來區分小分子和靶蛋白的結合，能快速地從小分子化合物庫中發現結合于靶蛋白亞活性位點的低親和性配體。如Fesik等篩選溶基質素(stromelysin)的抑制劑只用了半年時間。限制：知道靶蛋白確切的NMR三維結構、提供足夠量的15N標記的靶蛋白(>200mg)〔<25kDa〕、解析蛋白質三維結構的能力。Linkligands連接基團成功的關鍵是連接橋的長度及其性質〔如剛性〕Science274,1531-1534(1996)19ABT-737系列的發現過程1.為BCL-xL篩選第一個配體。從平均分子量為200Da的10000個化合物片段庫中篩選出來1黑：HSQCof15N-Bcl-xL紅：HSQCof15N-Bcl-xLwithbiarylacid〔1〕1的羧基能與R139結合，相當與Bcl-Xl—Bak復合物中的D8320Site1:Tyr101,Leu108,Val126andPhe146212.篩選第二個配體從平均分子量為125Da的3500個化合物中篩選出11黑:HSQCof15N-Bcl-xL.紅:HSQCof15N-Bcl-xLwithbiarylacid(1).綠:HSQCof15N-Bcl-xLwithnapthol(11).22

連接方式25的活性比1提高了大概200倍，但溶解度不好1123JMedChem49,656-663(2006)Site224A-38535831不幸的是，31在HSA存在情況下與Bcl-Xl結合大大下降。它能與HSA的domainIII緊密結合。J.Med.Chem.2006,49,1165-118168倍的失活Bcl-xLKi<1nMBcl-xLKi10%HS:35nM25增加site1的極性ABT-263-----口服小分子抑制劑ABT-737ABT-263MW:974Pka10J.Med.Chem.2021,51,6902–6915NatureReviewsDrugDiscovery2021，7(12):989-100026MW：813.43ABT-737/ABT-263類似物〔以結構為根底的藥物設計〕喹唑啉類JACS.2006,128,16206-16212J.Med.Chem.2021,54,1914–1926J.Med.Chem.2021,55,4664?4682J.Med.Chem.2021,55,6149?6161J.Med.Chem.2021,55,8502?8514J.Med.Chem.2021,56,3048?30674,5-二苯基吡唑類Bcl-2/Bcl-xL:Ki<1nMAOptimizationBM-9572728總結1、ABT-737/ABT-263打破了lipinsk’sruleoffive。一方面是由于雅培公司研究人員用SARbyNMR，平行合成，基于結構藥物設計多種方式設計小分子抑制劑；另一方面，對小分子與受體結合模式的進行雙向研究，相互理解。2、對研究者研究Bcl-2家族蛋白，及設計小分子抑制劑有很好的指導作用：BCl-2/BCl-Xl三維結構的理解、SARbyNMR、Structure-BasedDesign，FBDD等。29pan-activeinhibitorofBcl-230ObatoclaxPhaseIIAT-101PhaseII/III早期研發的抗凋亡蛋白小分子抑制劑根本上都是pan-Bcl-2antagonist包括三聯苯類，HA-14-1及其類似物，棉酚及其衍生物，BH3I及其衍生物等

BH3I-1S1DCBL55JournalofMedicinalChemistry,2021,53(9):3465-3479NatureReviewsDrugDiscovery,2021,7(12):989-100031ABT-199SelectivelyKillsBCL-2-DependentTumorCellsWhileSparingPlatelets(A)Navitoclax(ABT-263)bindswithhighaffinitytobothBCL-2andBCL-XL.Becausemanytumors,particularlylymphoidmalignancies,areaddictedtoBCL-2forsurvival,...CancerCell,2021,23(2),139-141ABT-199：SelectiveBcl-2inhibitor32Naturemedicine,2021,19(2):202-8BCL-2Ki<0.010nMBCL-XLKi=48nMBCL-WKi=245nMPhaseI/IIPhaseI33化合物1與Bcl-2化合物2與Bcl-234其它Y