【原】【药物设计】靶向G-四连体策略的癌症治疗进展

——生物学背景——

G-四连体是富含鸟嘌呤碱基的三维核酸结构，位于双链DNA延伸区域，特别是端粒末端和癌基因的启动子区域[1]。G-四连体这种特殊结构的存在影响了癌细胞端粒酶与端粒基因的结合，干扰了致癌基因启动子区域蛋白的结合，引发癌细胞生理功能紊乱。c-MYC, BCL-2, h-RAS, k-RAS, and c-KIT等相关基因的G-四连体时常受到人们的关注。开发此类致癌基因G4的稳定剂可以下调其转录水平。作用于G-四连体的优势更在于，靶标的拷贝数低，低可能性的抗性和突变，以及针对c-MYC基因等其不可靶向的蛋白表达产物。因此开发G-四连体的稳定剂是治疗癌症的新策略。

图一：G-四连体的结构。右图是BCL-2启动子区域的G-四连体结构

G-四连体是由四个鸟嘌呤通过Hoogsteen pairings（碱基中一种氢键互补配对的方式）形成正方形平面结构，中间核心是带正电的Na+或K+与之配位，每层之间通过π–π堆积叠在一起而形成特殊的三维空间结构[2]。

——临床应用——

目前靶向G-四连体最可观的是Quarfloxin (CX 3543)，是氟喹诺酮类的小分子化合物，已经到达临床二期阶段，它可以干扰核糖体DNA中核蛋白与G-四连体DNA的相互作用。能够有效地抑制c-Myc高表达的神经母细胞瘤细胞的生长[3]。(https://ClinicalTrials.gov, identifier: NCT00780663)但是，由于此化合物生物可利用度的问题，发展一直处于停滞状态。

图二：临床二期药物Quarfloxin (CX 3543)的结构

——科研进展——

2019年7月，在Journal of Medicinal Chemistry发表了一篇作用于BCL‑2/c‑MYC双路径G-四连体稳定剂的文章: "Bio-Inspired Dual-Selective BCL‑2/c‑MYC G‑Quadruplex Binders: Design, Synthesis, and Anticancer Activity of Drug-like Imidazo[2,1‑i]purine Derivatives"，文章作者是意大利皮埃蒙特东方大学的Mariateresa Giustiniano教授[4]。

作者为了解决临床二期G-四连体稳定剂生物利用度低的问题，以天然的核酸碱基（较合成分子有更高的生物利用度）为骨架，设计合成了一系列的咪唑并嘌呤的衍生物，能够与G-四连体有效地结合，从而达到稳定G-四连体的目的。

图三：设计的药物可以结合并稳定G-四连体

作者基于上述化合物骨架，合成了一系列衍生物4-21。首先通过CD melting 实验，在体外验证了化合物12、15、19能够提高BCL2 和 c-MYC G4的热稳定性。接着，又在细胞水平发现化合物12能够在微摩尔级抑制白血病细胞Jurkat (BCL2高表达)的活性。通过qPCR发现这三个化合物能够下调BCL2 和 c-MYC基因的转录，降低其mRNA的水平。

通过western blot发现这三个化合物能够降低c-Myc和Bcl-2蛋白的表达。通过MST实验得到了BCL2和c-MYC G4与作者设计药物结合的K_d。

图四：化合物结合稳定G-四连体，抑制c-Myc和Bcl-2的实验

最后作者在核磁共振氢谱的辅助下，结合计算的方法得到了化合物与BCL2 和c-MYC G4 相互作用的构效关系。

图五：左图是化合物12与c-MYC G4的构效关系，右图是化合物12与BCL2的构效关系化合物的多芳香环的结构能够与G4之间形成π–π堆积，并且N上所带的电荷和质子能够与G4之间形成氢键，以达到稳定G4的作用。

——总结——

目前已经开发出大量的针对不同靶标的G4稳定剂，然而若想应用到高置信度的治疗方面，仍然有待探索[5]。

参考文献：

[1] Bednarek, Andrzej K., et al. "Analysis of telomerase activity levels in breast cancer: positive detection at the in situ breast carcinoma stage." Clinical cancer research 3.1 (1997): 11-16.

[2] Balasubramanian, Shankar, Laurence H. Hurley, and StephenNeidle. "Targeting G-quadruplexes in gene promoters: a novel anticancer strategy?." Nature reviews Drug discovery 10.4 (2011): 261.

[3] https://ClinicalTrials.gov,identifier: NCT00780663

[4] Pelliccia, Sveva, et al. "Bio-Inspired Dual-Selective BCL-2/c-MYC G-Quadruplex Binders: Design, Synthesis and Anticancer Activity of Drug-like Imidazo[2,1-i]purine Derivatives." Journal ofmedicinal chemistry (2019).

DOI:10.1021/acs.jmedchem.9b00262

[5] Carabet, Lavinia, PaulRennie, and Artem Cherkasov. "Therapeutic inhibition of Myc in cancer. Structural bases and computer-aided drug discovery approaches." International journal ofmolecular sciences 20.1 (2019): 120.