上海药物所合作开发靶标发现新工具并用于雷公藤红素的靶标发现

　　天然产物、代谢物或基于表型筛选的药物作用靶标发现与确证是创新药物研发的重要源泉和关键难题。针对这一难题，中科院上海药物所/国科大杭州高等研究院药物科学与技术学院（以下简称杭高院药学院）罗成团队张豪副研究员开发了一种新的靶标富集排序工具OTTER（在线服务器http://otter-simm.com/otter.html）。进而，针对著名天然产物雷公藤红素，罗成、张豪团队与上海交通大学医学院陈国强院士团队、药学院张翱研究员团队合作，在雷公藤红素抗肿瘤分子靶标的发现与确证方面取得新进展。相关成果以“Celastrol suppresses colorectal cancer via covalent targeting peroxiredoxin 1”为题，在线发表于Signal Transduction and Targeted Therapy期刊。

　　雷公藤红素又名南蛇藤素，是从卫矛科植物雷公藤中提取的五环三萜类单体化合物，对多种肿瘤类型均具有较为显著的抑制作用。然而雷公藤红素具有较为明显的毒性，其发挥抗肿瘤活性的分子靶标及作用机制不够清晰。同时，由于缺乏雷公藤红素与靶标的复合物晶体结构，其如何与靶标蛋白发生相互作用的分子机制不清晰，使得基于其化学结构改造开发高效低毒的雷公藤红素衍生物缺乏明确的指导方向。

　　围绕上述问题，科研团队运用新工具OTTER，以及基于雷公藤红素组学数据分析获得的差异表达基因列表，再结合生物化学、生物物理等技术手段，发现雷公藤红素对过氧化氢氧化还原酶（peroxiredoxin, PRDX）蛋白家族的若干成员，有较为明显的酶活抑制。其中，雷公藤红素对PRDX1蛋白的酶活抑制最强，IC50达到了约290纳摩尔。进一步的质谱数据及点击化学实验提示，雷公藤红素与PRDX1蛋白的第173位半胱氨酸共价结合（图1）。


图1.新工具OTTER原理及雷公藤红素靶标发现

　　该研究首次解析了雷公藤红素与PRDX1蛋白的复合物晶体结构（分辨率1.76 埃），揭示了其独特的结合模式。每个PRDX1蛋白二聚体，能够共价结合两分子的雷公藤红素，并且这两分子雷公藤红素能够与邻近的PRDX1蛋白二聚体，形成非共价的氢键及疏水相互作用（图2）。该研究通过复合物晶体结构，首次建立了雷公藤红素如何与靶标蛋白发生共价修饰作用的结构基础。


图2.雷公藤红素与PRDX1蛋白的复合物晶体结构

　　在此基础上，团队通过设计并合成衍生物，获得了特异性及体内安全性显著提高的新型雷公藤红素衍生物19-048。通过构建PRDX1蛋白敲低及过表达的结直肠癌细胞系，该研究在细胞及动物层次上严格地确证了雷公藤红素及其衍生物19-048的在靶效应，并开展了化合物的作用机制研究。通过检测化合物在小鼠体内的急性毒性，该研究证明了衍生物19-048的安全性，显著优于原型雷公藤红素（图3）。


图3. 雷公藤红素的结构改造及动物水平靶标确证

　　该研究一方面证明了雷公藤红素的体内毒性，可以通过靶标发现及基于结构的化学优化而降低，另一方面也为更多重要天然产物的靶标发现，提供了可以直接参考借鉴的研究策略，以及实用的靶标发现新工具。

　　该论文通讯作者为罗成团队张豪副研究员、上海交通大学医学院陈国强院士团队徐颖研究员及上海交通大学药学院张翱研究员。该论文的共同第一作者为杭高院罗成工作室博士后徐珩、上海交通大学医学院博士研究生赵宏芳及上海交通大学药学院丁春勇研究员。该研究得到了上海药物研究所周虎课题组、国家蛋白质中心（上海）及上海同步辐射光源的支持，并获得了国家重点研发计划、国家中医药多学科交叉创新团队、国家自然科学基金重大研究计划等资助。
　　全文链接：https://www.nature.com/articles/s41392-022-01231-4