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2018年11月7日，Nature 杂志刊登了一篇葛兰素史克公司的科学家发表的科研论文，宣布设计合成了首个强效STING (Stimulator of interferon genes) 小分子激动剂，其可以特异且强结合STING蛋白，同时激活STING信号通路，从而起到神奇的抗癌作用，并解析了小分子激动剂与STING蛋白的复合物晶体结构，让一些公众号High了一把，将其与PD-1/PD-L1抗体药相提并论（如：新型免疫疗法问世！肿瘤多数适用！ 44位科学家共同宣布XX等）。STING激活剂的发展远没有某些自媒体描述的那么夸张，我们和大家分享STING的小分子调控研究现状。 2008年至2009年，两个中国课题组（武大舒红兵院士、北大蒋争凡教授）在内的四个课题组，各自报道了一个全新的蛋白STING (MITA, ERIS, MPYS, TMEM173)[1]。激活STING，导致I型干扰素 (IFN) 和其他细胞因子的表达。I型IFN在抗肿瘤免疫中有重要作用，启示研究者利用激活STING活性作为抗肿瘤治疗的新策略。生物学家的研究揭示了激活STING产生I型IFN的核心通路(图1）
图1. STING介导的IFNs核心通路 在这条通路中，STING是核心蛋白。上游细胞质中的双链DNA结合环状GMP-AMP合成酶 (cGAS)，催化合成cGAMP，以cGAMP为代表的天然的环状二核苷酸作为STING的配体，结合于STING，引起STING构象变化和转位，招募TBK1磷酸化IRF3，转录I型IFNs的表达。其中细胞质中DNA可以来源于DNA病毒等外源DNA，也可以来源于线粒体DNA、细胞核DNA。环状二核苷酸可以是细菌的c-di-GMP、c-di-AMP、3', 3'-cGAMP和cGAS产物2', 3'-cGAMP。自然想到的是利用这些环状二核苷酸治疗肿瘤，但这些天然环状二核苷酸与传统小分子药物差别很大，其分子量大于500，带有两个含负电的磷酸基团，其磷酸酯键容易被水解，这些因素一定程度上限制了其临床应用。因此，研究者开发了抗水解的硫代CDN衍生物，其中2', 3'-c-di-AM(PS)2 (Rp,Rp), 代号MIW815，已经进入I期临床。 2018年10月20日，默克公司在欧洲肿瘤内科学ESMO上透露，MK-1454作为单一疗法的活性为零，但当与PD-1抑制剂Keytruda (pembrolizumab) 联合使用时，确实达到了24％的部分缓解率，尽管这些患者之前没有看到过检查点抑制剂治疗失败[2]。 当然，基于CDNs改造的产物，细胞膜通透性一般不会很好。5, 6-二甲基占吨酮-4-乙酸 (DMXAA) 在动物模型上非常有效的杀肿瘤效果，极大的鼓舞研究者，相信STING激活剂有很好的抗肿瘤效果。遗憾的是DMXAA只靶向于小鼠STING蛋白 (mSTING)，对人STING蛋白 (hSTING) 无效 (mSTING与hSTING三维结构差异较大)。人们有理由相信，靶向hSTING的小分子激活剂，可以作为安全有效治疗肿瘤的药物。众多研究组应用不同策略致力于发展hSTING小分子激活剂，有改造DMXAA、CMA的，有改造CDNs的，有高通量筛选的，也有计算机辅助设计的，陆续有几篇零星工作报道小分子能够激活过表达hSTING，但对内源hSTING响应很弱，个别活性不高的对内源hSTING通路有较弱激活活性的小分子，机制并不很清楚。例如2015年Tina M. Sali等人从51,632个化合物中实验筛选得到一个小分子G10，能够激活STING通路产生IFNβ，但原作者认为G10没有靶向STING[3]；北京大学深圳研究生院的全军民教授组2018年在ChemMedChem上发表的α-Mangostin，对内源的Hsting激活活性很弱，DSF实验表明α-Mangostin能增加STING蛋白热稳定性温度，靶向STING[4]。当前仍然没有很好的强效hSTING小分子激活剂报道。 直到2018年11月7日，Nature杂志报道葛兰素史克公司发现的hSTING激活剂[5]（如图2）。
图2. GSK研发的hSTING强效激活剂[5] 这篇GSK的Nature论文里，他们通过SPR高通量竞争c-di-GMP筛选到弱竞争活性的binder化合物1，并解析了化合物1与STING蛋白的晶体复合物结构，基于复合物结构，将化合物1改造成二聚体得到化合物2，其结合亲和力提高了近10000倍，化合物2能够激活内源hSTING,EC50约为3 μM，比cGAMP强18倍。复合物晶体结构显示，化合物2如设计一样，结合于hSTING天然配体结合位点。基于化合物2设计得到代谢稳定的类似物化合物3，在小鼠模型中，化合物3强效抑制肿瘤生长并清除肿瘤，且在第13天停止给药后直到观察的第43天，依然看不到肿瘤发生，疗效持久[5]！ STING小分子激活剂的开发一直进展缓慢，GSK的这项研究，为设计强效hSTING小分子激活剂的设计提供了实例。但必须指出的是，化合物2及其类似物只能结合于STING的open状态，并不能结合于closed的全激活态，这一点与cGAMP很不一样，暗示化合物2启动STING激活后就解离了，或者，STING的激活态可能不限于结合cGAMP天然配体那样的closed态。可能是这个原因，导致化合物2的最大激活倍数比cGAMP低约40%。化合物2的EC50比cGAMP 好18倍，化合物2的透膜性远好于cGAMP是主要原因。 纵观STING调控分子的专利，绝大部分是环状二核苷酸类似物的化合物及应用专利，仅有默沙东的一件小分子化合物专利（化合物结构如图2），而未见活性报道。从分子结构看，化合物类似物DMXAA，既能结合于STING open态，也能结合其closed态。hSTING小分子激活剂的研发，还有很长的路要走！我们期待默沙东小分STING激活剂的活性报道！ 激活STING通路有利于抵抗病毒复制和抑制肿瘤生长，然而，慢性激活STING涉及单基因自身炎症的发病机制，例如Aicardi-Goutières综合征和婴儿STING相关性血管病变。 此外，越来越多的证据表明STING在一系列更复杂的炎症性疾病中的致病作用。而人STING V147L，N154S，V155M，G166E，D205S和R284M自激活突变被发现与细胞因子和趋化因子的过度产生而引起的全身性炎症和自身免疫疾病相关。因此，STING是治疗这些疾病的潜在目标。 2018年7月12日，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）全球卫生研究所的科学家在Nature发表了他们发现STING共价抑制剂的研究论文[6](如图3)。他们用细胞实验筛选共价结合C91的抑制剂C-176和C-178。C88/C91棕榈酰化是STING活化所必须的。这些抑制剂及其衍生物能够减少人和小鼠细胞中的STING介导的炎性细胞因子产生。 动物实验表明这些小分子拮抗剂减弱了小鼠自身炎症疾病的病理特征。他们的工作揭示了STING可以在药理学上被抑制的机制，并证明了针对STING治疗自身炎症疾病的疗法的潜力。 尽管做了些衍生物，但是C-178这类抑制剂，活性最好的其IC50仅为0.5 μM（大概因为C88/91所处区域，没有很好的小分子结合口袋），远低于常见其他靶标共价抑制剂，而作者推测的共价机理，也极为罕见。这些限制了靶向STING C88/91共价抑制剂的临床发展。很遗憾，作者没有测试C-178对病人出现的STING自激活突变体（如V147L，N154S，V155M，G166E，D205S和R284M等）的抑制情况。STING自激活突变是STING依赖的自身免疫疾病中的一大类，靶向STING自激活突变体的药物发现将有潜在治疗前景。
图3. STING共价抑制剂[6] ——小结与展望—— 虽然环状二核苷酸衍生物在临床试验中没有效果，其与PD-1抗体联用，还是看到一定的疗效,而小分子STING激活剂的临床效果，还未见报道。而溶瘤病毒抗肿瘤治疗的快速发展，极大挤占了STING激活剂的空间。溶瘤病毒疗法的发展，进一步佐证了激活cGAS-STING通路可以用于癌症治疗。特异强效hSTING激活剂的临床效果还是很值得期待！ 自身免疫疾病，当前的治疗手段有限，与STING相关的自身免疫疾病，尤其是STING功能获得突变造成的自身免疫疾病，STING抑制剂有很大应用前景。当前没有强效STING抑制剂公开报道。 STING蛋白性质，生物学功能的深入研究，有助于靶向STING药物发现。STING调控分子，反过来，可以是很好的工具，研究其生物学功能。期待更多的STING小分子调节剂的报道！ 参考文献： [1] Li, Tuo, and Zhijian J. Chen. "The cGAS–cGAMP–STING pathway connects DNA damage to inflammation, senescence, and cancer." Journal of Experimental Medicine. 215.5 (2018): 1287-1299. doi: 10.1084/jem.20180139 [2] Esmo 2018-Adaptimmune gets the wooden spoon. http://www.evaluate.com/vantage/articles/news/snippets/esmo-2018-merck-co-fails-sting [3] Sali, Tina M., et al. "Characterization of a novel human-specific STING agonist that elicits antiviral activity against emerging alphaviruses." PLoS pathogens. 11.12 (2015): e1005324.doi:10.1371/journal.ppat.1005324. [4] Christensen, Kathrine B., et al. "Identification of plant extracts with potential antidiabetic properties: effect on human peroxisome proliferator‐activated receptor (PPAR), adipocyte differentiation and insulin‐stimulated glucose uptake." Phytotherapy Research. 23.9 (2009): 1316-1325. doi: 10.1002/cmdc.201800481. [5] Ramanjulu, Joshi M., et al. "Design of amidobenzimidazole STING receptor agonists with systemic activity." Nature. (2018): 1. doi: 10.1038/s41586-018-0705-y. [6] Haag, Simone M., et al. "Targeting STING with covalent small-molecule inhibitors." Nature. 559.7713 (2018): 269. doi:10.1038/s41586-018-0287-8. 作者：邓小兵 编辑：孙翔宇 GoDesign ID：Molecular_Design_Lab
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