三环苯甲酸FTO抑制剂药物化学构效关系的研究

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N6-甲基腺嘌呤(m6A)是真核生物mRNA上最为广泛的修饰,在调控mRNA的代谢和命运中发挥重要作用,是“表观转录”修饰研究的核心内容,在转录后水平上参与基因表达调控。m6A的动态调节由甲基转移酶复合体(METTL3/14/WTAP)、去甲基化酶(FTO和ALKBH5)及甲基识别蛋白(YTH家族蛋白)共同完成。m6A修饰及其修饰酶功能紊乱导致诸多疾病的发生,例如肿瘤。目前以m6A为核心研究内容的“表观转录”在基础生物学、临床医学等领域形成了活跃的研究前沿,为靶向“表观转录”修饰抗肿瘤提供了原创新药发现的新机遇和基础。


化学干预“表观遗传”修饰,调控基因表达是小分子抗肿瘤新药发现的活跃前沿之一,目前已经有数个靶向DNA甲基化酶或组蛋白修饰酶的新药获批应用于临床治疗癌症。然而作为“表观修饰”的核心组成内容,靶向m6A“表观转录”修饰的抗肿瘤新药发现尚处于早期阶段,目前还没有候选药物开展临床研究阶段。

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图1. 课题组报道的FTO抑制剂 (Zhou, L.-L., et. al., RSC Chem. Biol20212, 1352)


上海药物研究所杨财广课题组开展国内外的合作研究,在RNA去甲基酶FTO小分子抑制剂的研究方向上处于先进水平。2012年报道了首例FTO抑制剂大黄酸(Rhein);2015年筛选发现甲氯芬那酸(MA)选择性抑制FTO,而不抑制ALKBH5;2019年报导MA的衍生物FB23-2干预FTO的去甲基功能,调控基因表达,在急性髓性白血病(AML)小鼠模型上显著延长存活率,概念验证了靶向FTO抗AML的可行性;2021年发现FTO抑制剂Dac51能够调节免疫逃逸,低剂量的Dac51与PD-L1单抗联用可达到免疫系统依赖的抗小鼠实体瘤效果。FB23-2Dac51是含有羟肟酸结构的MA衍生物,三环苯甲酸类FTO抑制剂的构效关系研究将揭示理化性质更全面的先导化合物,提高该类化合物的成药性研究。因此,该课题组持续关注该类骨架的FTO抑制剂,通过结构修饰优化生物学活性,同时兼顾成药性验证。

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图2. 三环苯甲酸FTO抑制剂的设计思路 (Liu, Z., et. al., J. Med. Chem2022)


该课题组继续以MA为化学起点,采用结构导向的合理药物设计,扩大化合物空间,从A、B、C三个环分别考察了构效关系,从34个三环苯甲酸类衍生物中获得化合物13a。FB23FB23-2不同,13a同时具有优秀的酶学抑制活性(0.7 μM)和AML细胞增殖抑制活性(对NB4和MONOMAC6的IC50分别为2.1 μM和1.9 μM)。与FB23相比,13a表现出极大改善的细胞增殖抑制活性,与FB23-2相当(对NB4和MONOMAC6的IC50分别为0.8 μM和1.5 μM);同时,与FB23-2相比,13a又表现出抑制FTO酶活的活性,与FB23相当(0.7 μM 和 0.4 μM)。此外,13a能够浓度依赖性地抑制NB4细胞的克隆形成。

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图3. 13a的结构和白血病细胞增殖抑制活性 (Liu, Z., et. al., J. Med. Chem2022)


进一步,他们从机制上验证了化合物13a通过抑制胞内FTO实现抗AML细胞增殖的效果。首先,胞内热稳定迁移实验(CETSA)证明了化合物13a在AML细胞MONOMAC6中结合靶标蛋白质FTO。其次,RNA斑点印迹杂交实验(Dot blot)表明化合物13a浓度依赖性地改变胞内总RNA和mRNA的甲基化修饰水平。最后,在信号通路上验证了13a在转录水平上上调ASB2RARA,下调MYC,在蛋白质水平上上调ASB2RARA,并下调MYC的蛋白水平。这些结果展示了FTO抑制剂13a抗AML细胞增殖的靶标相关性。

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图4. 13a在白血病细胞上的信号通路研究 (Liu, Z., et. al., J. Med. Chem2022)


最后,体内药效学实验证明,13a在小鼠模型上能够显著增加白血病小鼠的存活率,并在给药剂量下没有表现出毒副作用。综上研究表明,13a可作为靶向FTO抗白血病的新的先导化合物。

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图5. 化合物13a的动物药效学研究 (Liu, Z., et. al., J. Med. Chem. 2022)


这一成果近期发表在药物化学杂志Journal of Medicinal Chemistry 上,文章的第一作者是上海药物研究所研究生刘泽瑜、南京中医药大学研究生段宗良和国科大杭州高等研究院研究生张德言,通讯作者为上海药物研究所黄悦副研究员、董泽副研究员和杨财广研究员。

Structure–Activity Relationships and Antileukemia Effects of the Tricyclic Benzoic Acid FTO Inhibitors

Zeyu Liu, Zongliang Duan, Deyan Zhang, Pan Xiao, Tao Zhang, Hongjiao Xu, Chuan-Hui Wang, Guo-Wu Rao, Jianhua Gan, Yue Huang*, Cai-Guang Yang*, and Ze Dong* 

J. Med. Chem., 2022, DOI: 10.1021/acs.jmedchem.2c00848


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