別構調節PGAM1抑制非小細胞肺癌的新途徑

　　磷酸甘油酸變位酶1（phosphoglycerate mutase 1, PGAM1）作為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）轉化生成2-磷酸甘油酸（2-PG），促進葡萄糖代謝和能量生成，通過調節3-PG與2-PG的轉化平衡來影響其他代謝通路，參與細胞內生物大分子合成和維持氧化還原穩態，促進腫瘤細胞增殖。不僅如此，PGAM1還能不依賴于其代謝酶活性，與α-平滑肌肌動蛋白（α-smooth muscle actin, ACTA2）相互作用，促進腫瘤細胞轉移。研究表明，PGAM1在多種惡性腫瘤包括非小細胞肺癌中普遍高表達，且與不良預后呈負相關，在腫瘤發生發展中都起著重要作用。因此，PGAM1可作為腫瘤代謝調控的新靶標，其抑制劑的研發受到越來越多的關注。

　　2019年10月10日，上海交通大學醫學院藥理學與化學生物學系沈瑛副研究員課題組聯合復旦大學藥學院周璐副教授和上海中醫藥大學陳紅專教授在Cell Metabolism雜志發表長文 “A novel allosteric inhibitor of phosphoglycerate mutase 1 suppresses growth and metastasis of non-small cell lung cancer”，率先報道PGAM1新型別構抑制劑對非小細胞肺癌的增殖、耐藥和轉移等生物學活性的多重抑制作用，揭示通過別構調節PGAM1同時干預PGAM1的代謝酶活性和非代謝酶依賴的蛋白-蛋白相互作用的抗腫瘤藥理學新機制。

　　研究團隊通過共晶結構解析，對先導化合物優化改造，得到了一種新型的PGAM1別構抑制劑（命名為HKB99），具有高選擇性、高活性、低毒性優勢。藥理學研究表明：HKB99巧妙避開了與3-PG直接競爭底物結合位點，與PGAM1鄰近底物結合口袋的別構位點相互作用，抑制3-PG向2-PG轉化，顯著降低PGAM1代謝酶活性；同時，HKB99別構結合PGAM1，“鎖住”了201-210段氨基酸的構象，大大削弱PGAM1與ACTA2相互作用，從而抑制非小細胞肺癌和分子靶向藥物厄洛替尼（Erlotinib）耐藥的肺癌細胞的生長和轉移。進一步研究表明HKB99通過上調細胞中活性氧（ROS）水平，激活JNK/c-Jun信號通路誘導非小細胞肺癌細胞凋亡；使p-AKT和p-ERK激活減少，抑制非小細胞肺癌細胞的增殖。

　　該研究工作首次闡明別構調節PGAM1，能同時抑制PGAM1代謝酶活性和非代謝酶依賴的蛋白-蛋白相互作用，發揮抗腫瘤作用的分子機制；揭示PGAM1作為抗腫瘤藥物新靶標，為靶向代謝酶的抗腫瘤藥物設計和開發提供新思路。

PGAM1新型別構抑制劑HKB99作用模式圖

　　該工作由上海交通大學、復旦大學和上海中醫藥大學合作完成。沈瑛副研究員、周璐副教授和陳紅專教授為該論文共同通訊作者。復旦大學藥學院2013級博士研究生黃科、上海交通大學醫學院2018級博士研究生梁倩和2016級碩士研究生周燁為論文共同第一作者，其中梁倩由陳紅專教授和沈瑛副研究員共同指導。來自上海市轉化醫學協同創新中心、中國科學院上海藥物研究所、國家癌基因和相關基因重點實驗室、教育部細胞凋亡和分化重點實驗室、芝加哥大學化學系等單位的多位專家參與了這項工作。HKB99已申請國家發明ZL（PGAM1別構抑制劑HKB99在制備治療肺腺癌藥物中的應用，申請號：201910284333.4）。

　　專家點評

　　丁健（中國工程院院士、腫瘤藥理學家）

　　新型別構抑制劑實現PGAM1代謝酶活和

　　非酶功能的雙重阻抑

　　近年來，腫瘤代謝研究的不斷深入推動了靶向代謝酶的抗腫瘤新藥研發熱潮。歷經多年探索，數十個代謝酶小分子抑制劑正處在臨床前和臨床研究。其中，靶向異檸檬酸脫氫酶（Isocitrate dehydrogenase 2, IDH2）突變體的抑制劑AG-221率先于2017年被美國FDA批準用于攜帶有IDH2突變的急性粒細胞白血病的治療，代表了腫瘤代謝領域的首個突破。然而，回看領域的發展，除IDH1/2抑制劑外，大多數代謝酶抑制劑的治療獲益似乎并未達到人們的預期。剖析這一困境的根源，有多方面的因素，包括：1）代謝通路極其復雜，不同通路之間易相互代償；2）代謝酶作為主要的靶點，對其功能的認識主要停留于代謝通路自身，對其在腫瘤中的作用認知還非常有限；3）腫瘤細胞具有顯著的代謝異質性的特點，代謝抑制劑的研究還有待發現其敏感群體。上述認識提示了靶向代謝的抗腫瘤策略還有待更加深入的探索和理念的突破。

　　磷酸甘油酸變位酶1（phosphoglycerate mutase 1, PGAM1）是腫瘤細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大學Jing Chen實驗室證實了PGAM1能同時調控有氧糖酵解、磷酸戊糖途徑和絲氨酸合成通路，實現了對能量代謝和氨基酸、核苷等物質合成的多重調控作用，是腫瘤細胞糖代謝的關鍵節點【1】，是極具潛力的抗腫瘤靶標。該工作還報道了的PGAM1酶活抑制劑PGMI-004A，證實其能顯著抑制腫瘤生長，后續有多個PGAM1抑制劑被相繼報道。近年來，隨著對PGAM1功能認識的深入，人們發現PGAM1還具有不依賴代謝活性的新功能，中國科學院上海藥物研究所耿美玉等揭示了PGAM1通過其201-210位氨基酸，直接與α-平滑肌肌動蛋白（α-smooth muscle actin, ACTA2）相互作用，促進腫瘤轉移【2】。這一認識，為PGAM1抑制劑的研發提出了新的挑戰，提示僅僅抑制代謝酶的催化作用并不能完全遏制PGAM1在腫瘤中的功能。

　　2019年10月10日，上海交通大學醫學院沈瑛副研究員、復旦大學藥學院周璐副教授和上海中醫藥大學陳紅專教授團隊在Cell Metabolism上以長文（Article）形式在線發表題為“A novel allosteric inhibitor of phosphoglycerate mutase 1 suppresses growth and metastasis of non-small cell lung cancer”的研究論文，率先報道了新型PGAM1別構抑制劑HKB99，通過別構調節PGAM1，能夠同時干預PGAM1的代謝酶活性和非代謝酶活性依賴的蛋白-蛋白相互作用，顯著抑制非小細胞肺癌的生長和轉移。

　　當前，別構調節已成為新藥研發的重要手段【3】，由于別構調節位點的多樣性，別構調節分子具有特異性高、毒性低和不良反應少等優點【4】。研究團隊采用別構調節的策略，基于前期對第一代PGAM1抑制劑PGMI-004A的研究，解析了PGMI-004A與PGAM1的共晶復合物結構，通過基于結構的藥物設計，優化得到新的PGAM1小分子抑制劑HKB99。分子對接發現，HKB99位于PGAM1鄰近底物結合口袋的別構位點，避開了與3-PG直接競爭底物結合位點，使PGAM1構象發生改變，大大提升了對PGAM1代謝酶的抑制活性（IC50= 0.85 μM）。與PGMI-004A相比，HKB99對多種肺癌細胞的抑制活性更強，而對正常細胞的影響明顯減弱，顯示出其作為別構抑制劑高選擇性、高活性、低毒性的顯著優勢。特別值得注意的是，HKB99的別構結合拉近了氨基酸殘基R191與L208之間的距離，使二者間的氫鍵相互作用更強，“鎖住”了201-210段氨基酸的構象，從而減弱了PGAM1與ACTA2之間相互作用。本研究通過多項實驗證實，HKB99能阻礙腫瘤細胞中PGAM1與ACTA2的相互作用，從而影響細胞運動能力。據此，證實HKB99突破了第一代抑制劑PGMI-004A的局限，實現了對PGAM1非酶活功能的有效抑制。

　　HKB99獨特的作用機制帶來了顯著的治療獲益。該研究團隊成員證實HKB99對多種肺癌細胞的生長具有抑制作用（IC50~1 μM），但對正常細胞的生長抑制作用明顯降低（IC50~70 μM），并能有效抑制肺癌轉移。基于前期發現【5】，該項目研究在多個體內體外實驗模型中證實，HKB99也能夠抑制肺癌臨床用藥厄洛替尼（Erlotinib）耐藥的肺癌生長，提高厄洛替尼的敏感性。該工作系統證實了HKB99作為新一代的PGAM1抑制劑，在抑制腫瘤生長、轉移和克服靶向藥物耐藥的多項治療優勢。進一步深入研究其分子作用機制，還發現HKB99顯著提高細胞內活性氧（reactive oxygen species, ROS）水平，激活JNK/c-Jun信號通路，并抑制蛋白激酶B（protein kinase B, AKT）和細胞外調節蛋白激酶（extracellular regulated protein kinases, ERK）活性，從而抑制細胞增殖，誘導細胞凋亡。

　　該研究報道了新型PGAM1小分子別構抑制劑HKB99，證實了HKB99通過別構調節PGAM1，實現對PGAM1代謝酶活性和非代謝酶依賴的蛋白-蛋白相互作用的雙重作用，從而全方位阻斷PGAM1促進腫瘤生長和腫瘤轉移的作用，并能克服靶向藥物耐藥。本研究的發現，為靶向PGAM1的抗腫瘤藥物研發提供了全新的思路，奠定了重要的研究基礎。值得注意的是，以往多項研究也提示，代謝酶的非酶活功能可能廣泛存在，本研究也為代謝酶抑制劑的研發提供了重要的思路，有望催生靶向腫瘤代謝抗腫瘤藥物研發的新突破。

　　原文鏈接：

　　https://doi.org/10.1016/j.cmet.2019.09.014

　　參考文獻

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　　5. Dong, J.K., Lei, H.M., Liang, Q., Tang, Y.B., Zhou, Y., Wang, Y., Zhang, S., Li, W.B., Tong, Y., Zhuang, G., et al. (2018). Overcoming erlotinib resistance in EGFR mutation-positive lung adenocarcinomas through repression of phosphoglycerate dehydrogenase. Theranostics 8, 1808-1823.