【JMC】一种高效、选择性靶向SOS1的降解剂ZZ151,体内对KRAS突变型肿瘤有效

时间:2023-03-31 14:31:48   热度:37.1℃   作者:网络

导语
2023310日发表在《Journal of Medicinal Chemistry》的《Discovery of a Potent, Cooperative, and Selective SOS1 PROTAC ZZ151 with In Vivo Antitumor Efficacy in KRAS-Mutant Cancers》文献报道了一种高效选择性SOS1 PROTAC ZZ151的设计、合成及生物活性研究。PROTAC ZZ151Linker的长度与组成对降解活性的影响显著。本文发现的ZZ151能够快速、特异且有效地诱导SOS1降解,对KRAS突变驱动的广泛癌细胞显示出强大的抗增殖活性,在小鼠体内KRASG12DKRASG12V突变异种移植模型中显示出优异的抗癌活性。

 

总而言之,ZZ151是开发针对KRAS突变体的有前途的先导化合物。

 

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前言

 

随着人们对PROTAC技术进行药物发现的极大兴趣,目前已有至少15种化合物进入到临床试验。PROTAC分子通常由靶蛋白配体、Linker和E3连接酶配体组成,其中,Linker结构的改变对优化其活性至关重要。Linker细微的结构改变可能会造成PROTAC降解活性的显著改变,而这一机制有待深入研究。

 

SOS1是KRAS的必需鸟嘌呤核苷酸交换因子(GEF),催化促进KRAS及其下游信号通路的激活,激活的KRAS通过与SOS1的变构位点结合,连续增强SOS1的GEF功能。SOS1功能的调控被认为是设计克服KRAS驱动的癌症的间接抑制剂的一个有潜力的策略。图2为代表性的小分子激动剂和抑制剂。然而,激动剂可以激活KRAS并诱导细胞中下游信号的双相调制;与SOS1催化位点结合的抑制剂不能有效地解离与SOS1变构位点结合的KRAS蛋白。作者之前报道的文献得到的PROTAC 化合物5相比于小分子激动剂1具有更好的细胞活性,同时诱导SOS1的降解,然而5的细胞效力还有待提升。

 

因此,作者报道了基于抑制剂的SOS1 PROTACs的设计与合成,其E3连接酶为VHL,通过对Linker长度和组成进行系统的结构修饰,提供了一种高效、快速、协同和选择性的SOS1降解剂ZZ151 (8c)。

 

 

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SOS1 PROTAC降解剂ZZ151的设计与生物学评价。

 

基于抑制剂3SOS1的共晶结构,作者设计并合成了多种不同Linker长度和组成的PROTACs 8(图3)。

 

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通过在NCI−H358细胞中0.1 μM1 μM孵育24 h后筛选PROTACs 8的降解活性(图4)。结果表明,在0.1 μM1.0 μM条件下,含5个亚甲基的最佳化合物8c (ZZ151)SOS1降解的诱导率分别为83.998.2%。剂量依赖性降解实验再次证实ZZ151为最强的降解剂,DC50值为15.7 nM, Dmax100%

 

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为了探究Linker长度和组成对降解活性差异的机制,作者通过HTRF试验发现化合物7不能诱导SOS1VCB的接近,但最强的降解物8c (ZZ151)获得了最高的最大三元配合物形成水平,8h的最大HTRF信号略低(5)。其他降解活性降低的化合物始终表现出较弱的最大HTRF信号,这表明它们形成所需三元配合物的机会较小。为了研究VCB不存在(KDbnary)或存在(KDternary)PROTACsSOS1结合亲和力,基于荧光偏振(FP)的位移测定实验发现最有效的化合物8c表现出最高的协同因子数值,表明SOS1VCB之间形成了非常有利的相互作用。

 

综上所述,作者发现合成的协同性较高的PROTAC诱导了更有利的SOS1−PROTAC−E3三元配合物的形成,从而导致了更高的SOS1降解活性和最大的蛋白质降解。因此,作者假设新形成的SOS1 - VCB相互作用在很大程度上依赖于PROTAC的结构构象,而PROTAC的结构构象是由其Linker控制的。PROTAC Linker化学性质的细微变化影响三元配合物形成的合作,从而导致不同的降解效率。

 

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ZZ151通过VHL依赖的蛋白酶体降解途径诱导SOS1降解。

 

为了在细胞水平上进一步探索ZZ151的作用机制,作者首先合成了阴性对照化合物ZZ061ZZ061VHL配体的羟脯氨酸部分的羟基上具有倒置立体化学,在KRASG12C突变体和KRASG12D突变体的细胞中,均不能降解浓度为10 μMSOS1(6A,D),表明VHL E3连接酶在ZZ151诱导的SOS1降解中起着必要的作用。同样,在敲除细胞内VHL的表达后,ZZ151在两个被测细胞中的无SOS1降解活性(6B,E)。此外,在VHL配体、小分子SOS1抑制剂7和蛋白酶体抑制剂MG132预处理4小时后,ZZ151诱导的SOS1降解在两种细胞系中得到挽救(6C,F)。这些结果共同证明ZZ151SOS1VHL依赖性蛋白酶体降解。

 

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ZZ151KRAS突变癌细胞中表现出优异的抗增殖活性

 

首先,作者评估了ZZ151在具有不同KRAS突变状态的广泛癌细胞系中的SOS1降解谱。ZZ151在大部分含有KRAS突变的细胞中强烈诱导SOS1降解,DC50值为8.41 ~ 41.4 nM(7A),在Q61H突变NCI−H460细胞中诱导SOS1蛋白降解的效率略低,DC50值为81.7 nM。动力学降解实验(7B,C)表明ZZ151是一种快速SOS1降解剂。

 

因此,作者对ZZ151在多种KRAS突变细胞中的抗增殖特性进行了研究。与化合物7BI-3406相比,ZZ151表现最好的多种KRAS突变细胞的增殖抑制活性,IC50值为6.97 − 105 nM,这与它的SOS1降解活性一致。阴性对照ZZ061在被测细胞中保留了较弱的抗增殖活性,提示ZZ151对细胞增殖的抑制可能是其SOS1降解和抑制作用的协同作用。

 

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ZZ151特异性诱导SOS1降解

 

为了评估ZZ151对细胞内蛋白质降解的选择性,并确定其潜在的脱靶靶点,作者采用定量蛋白质组学方法检测了,发现ZZ1517300多个蛋白质中对SOS1蛋白的选择性降解程度最高(图8)。仅有两个下调的蛋白ZCCHC10ALKBH4的生物学功能的报道较少,值得进一步研究。

 

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ZZ151KRAS G12DKRASG12V突变的小鼠模型中的体内疗效

 

ZZ151的药代动力学特性显示腹腔注射10mg /kg后,ZZ151显示高血浆暴露(AUC = 14,090 h·ng/mL)、较长的半衰期 (T1/2 = 9.69 h),同时无急性毒性和体重减轻现象。

 

因此,在PK和毒性特征可接受的情况下,ZZ151进入了体内抗肿瘤疗效评估阶段。在AsPC-1 (KRASG12D)胰腺癌异种移植小鼠模型中,ZZ151显著抑制肿瘤生长。与BI-3406相比,ZZ151抑制肿瘤生长的效果更强(9A)。在结直肠癌SW620 (KRASG12V)模型中,ZZ15120 mg/kg/qd剂量下表现出与BI-340650 mg/kg/bid相同的效力(9B)。在小鼠研究过程中,统计上没有观察到体重减轻。

 

SOS1下调已被证明可以抑制KRAS下游信号的磷酸化,通过western blotting(9C)和免疫组化(9E)实验,ZZ151剂量依赖性地诱导了SOS1降解,随后导致磷酸化的ERK表达降低。BI-3406作为一种小分子SOS1抑制剂,不影响SOS1水平,但能有效抑制肿瘤组织中ERK磷酸化(9C,E)。在KRSASG12V突变SW620异种移植小鼠的肿瘤组织中也观察到同样的趋势(9D,F)

 

总之,ZZ151在异种移植小鼠模型中表现出对KRASG12DKRASG12V驱动的肿瘤生长的良好抑制作用。

 

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结语

 

在本研究中,作者报道了一系列新的基于抑制剂的SOS1 PROTACs,能够有效地降解携带各种KRAS突变的广泛癌细胞中的SOS1Linker部分的细微变化导致了SOS1降解活性的显著改变,强调了形成协同SOS1−PROTAC−VCB三元配合物在设计有效PROTAC中的重要性。本研究中观察到的现象进一步表明,为了寻找新靶标的第一个PROTAC,可能需要对连接体长度和组成进行系统的研究。此外,最佳PROTAC ZZ151SOS1的降解具有快速和高选择性。在KRASG12D突变的胰腺癌和KRASG12V突变的结直肠癌异种移植模型中,肿瘤生长抑制也显示出剂量依赖性反应。因此ZZ151是一种很有前途的靶向KRAS突变体的先导化合物,值得进一步的药物开发。

 

原文链接:https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.3c00075

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